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空气源热泵不只是“煤改电”的选择,也是空调制冷的选择

2016-12-20 16:18:25      点击:

 现代化的各类建筑中广泛采用中央空调系统,空调耗能占整个城市能源消耗的比例在不断增大,空调用电(含家用空调器)一般占城市用电量的30%,有的地方,如广州地区高达50%~60%,因此,中央空调冷热源的合理配置将对整个节能工作产生重要的影响。下面就中央空调使用的主要冷热源特点做一介绍。

一、中央空调冷热源的种类及特点

  中央空调冷热源的种类有:①水冷冷水机组+锅炉;②空气气源热泵与水源热泵;③溴化锂吸收式机组(+锅炉)等。

  1.水冷冷水机组+锅炉

  水冷冷水机组+锅炉是中央空调冷热源最常用的一种配置。夏季用水冷冷水机组制冷,冬季用锅炉供热。水冷冷水机组在设计工况下的效率比较高,其能效比(制冷量/耗电量)为3.7~5左右,水冷冷水机组使用的主机种类有离心式压缩机、螺杆式压缩机和活塞式压缩机,其中离心式压缩机能效比最高,其次为螺杆式压缩机,活塞式压缩机的能效比最低。

  一般空调制冷量在300RT以上选用离心式压缩机,空调制冷量在150~300RT中等范围选用螺杆式压缩机,制冷量小于150RT时选用活塞式压缩机。

  水冷冷水机组需配冷却水系统(水泵、冷却塔等)。有一定的耗水量,不宜在缺水地区使用,冷却塔工作时的噪音对环境有一定影响,国内外均有使用冷却塔造成“军团菌”感染的报道,冷却塔的安装位置要特别注意不能置于空调新风进风口附近和临近窗处。

  锅炉有燃煤、燃油、燃气及电锅炉等。以燃煤锅炉为多。我国煤的储量较大,但燃煤锅炉运行对城市环境影响较大。与燃煤相比,燃油、燃气锅炉对环境影响较小,但我国油、气资源并不丰富,使用什么燃料应根据当地的情况来定。使用电锅炉,对使用地的污染小,但耗电量较大。

2.热泵型机组

  中央空调使用的热泵型机组以风冷热泵(空气源热泵)冷热水机组为多,消耗电能,近年来也有一些建筑采用水源热泵。风冷热泵冷热水机组一机冬夏两用,夏季制冷时采用风冷冷凝器,省去了水冷冷水机组的水系统,特别适用于缺水地区,由于采用风冷冷凝器,在设计工况下,冷却效果不如水冷冷凝器,因而机组的能效比比水冷机组小,一般在3左右,冬季机组反循环制热,风侧换热器做蒸发器用,从大气中吸取能量,故节能效果明显,其冬季制热系数(制热量/消耗的电量)在3以上,一般比机组夏季制冷时的能效比略高一些,这类机组使用的主机有半封闭螺杆压缩机、半封闭活塞压缩机、全封闭活塞压缩机及全封闭涡旋压缩机。半封闭机组的单机容量较大,螺杆压缩机的性能比活塞压缩机好;全封闭机组的单机容量较小,涡旋压缩机的性能比活塞压缩机好。机组使用“清洁”电能,在使用地无环境污染问题,因此,近年来在长江流域及长江以南地区得到广泛应用,特别是由于环保的原因,不准使用锅炉的地区,其应用更多。

  空气源热泵使用中的主要问题是冬季制热的效果受环境温度的制约较大,环境温度越低,制热效果越差。水源热泵在制热时从水中吸取低位热能,其制热系数要高于空气源热泵,但使用地必须有废热提供,在需要同时制冷和制热的场合使用较为有利,在有清洁的江河湖水的地方也可使用。水源热泵的运行噪声较大。


  3.溴化锂吸收式机组

  溴化锂吸收式机组以热能来制冷,分为外燃型和直燃型两种。

  外燃型机组可用热电厂或企业排出的废热和余热制冷,或由蒸汽锅炉提供蒸汽。其能效比(制冷量/消耗的热能)为1.0~1.2左右,比电制冷低,但对于有废热、余热的地方,如热电厂、钢铁厂、化工厂等企业,使用溴化锂制冷机是非常合适的,既利用了低位能源,又达到了制冷的目的。使用蒸汽锅炉提供热源的溴化锂制冷机系统,冬季用锅炉供热。目前,国内外都在致力于提高溴化锂制冷机热能利用率的研究,国内也推出了三效溴化锂制冷机的样机,其能效比可达1.65。

  直燃式溴化锂机组以油(一般为轻油)或燃气为燃料,可制冷也可供热,制冷能效比比外燃机组高。溴化锂机组节电,不节能,直燃式机组燃油或燃气,从能源利用的角度也不经济。对于缺电而无废热、余热供应的地区可考虑使用直燃式机组。溴化锂吸收式制冷无电制冷氟里昂制冷剂(CFCS、HCFCS)对大气臭氧层的破坏问题。

二、热泵的应用

  1.热泵的节能原理

  图1为热泵的工作原理,在外界输入能量W(电能、热能)的情况下,机组从低温环境中吸取热量Q1,并将这部分低位热量提升为高位热量连同向机组输入的能量W共Q2(Q2=Q1+W)排放到高温环境中去。若机组的能效比为3,则消耗1个单位份额的能量,可获得3个单位份额的能量。而采用电加热通过电阻取暖,则消耗1个单位份额的电能,最大也只能获得1个单位份额的热量。所以与直接电加热相比,热泵总是节能的。

 2.空气源热泵的应用与节能

  目前,中央空调使用的热泵以空气源热泵冷热水机组为多,夏季制冷时的电能消耗情况主要应与水冷冷水机组相比。在设计工况下,要达到相同的制冷量,风冷机组的耗电量较大,但在整个夏季制冷运行期间,一天内工况变化比较大,大部分时间内机组不一定满负荷运行,在部分负荷运行时,水冷冷水机组的水系统的耗电量无法降下来。另外,由于风冷机组的冷却效果(冷凝温度)主要与空气干球温度有关,而水冷机组的冷却效果(冷凝温度)主要受空气湿球温度的影响,我国南方夏季空气干球温度在一天内变化大,一般在8~10℃左右,而空气湿球温度变化很小。所以,从整个机组运行周期上来比较,风冷机组的耗电量不一定比水冷机组大。在全负荷运行时,风冷机组的耗电量比水冷机组大15%左右;在2/3负荷下运行时,风冷机组的耗电量与水冷机组基本持平;在1/3负荷下运行时,风冷机组的耗电量比水冷机组低30%左右。

  对于冬季制热,空气源热泵与电取暖相比绝对节能,与消耗一次燃料的锅炉等相比,由于热泵使用的电力有一个发电效率与传输效率的问题,应考核热泵的能量利用系数E。E=a×b×(COPh),a为发电效率,b为传输效率,COPh为热泵的制热系数。取a=0.33,b=0.9,COPh=3,则热泵的能量利用系数E为0.89左右,一般锅炉的热效率为0.65左右,由此可看出,空气源热泵用于冬季采暖的一次能源利用率也高于锅炉。

  从环保的角度讲,使用热泵可较大幅度地减少SO2、CO2等有害物质的排放。获得相同的热量,用燃煤锅炉直接供热时CO2的排放量比火力发电再驱动热泵高30%,与燃油锅炉相比,使用空气源热泵的CO2排放量也可以有较大的减少,并有效地节约一次能源。

  由此可见,在合适的条件下使用空气源热泵供热有明显的节能与环保意义。


3.空气源热泵应用中应注意的问题

  空气源热泵由于受环境温度影响较大,一般环境温度在-5℃以下后,热泵的工作状况明显恶化,在一定的温湿度条件下会在空气侧换热器翅片管的表面结霜(还与热泵空气侧换热器的结构、风机风量等因素有关),影响了空气侧换热器的传热,较频繁的除霜会影响机组的供热。因此,中央空调中使用空气源热泵首先要看当地的环境条件,在全年累计除霜时间大于1900小时,每公斤湿空气累计除霜量26公斤,蒸发温度低于-8℃的运行时间大于250小时的地区不宜盲目推广使用;全年累计除霜时间在1000~1900小时、每公斤湿空气累计除霜量大于26公斤、蒸发温度-8℃的时间为100~150小时的地区,宜谨慎小心使用;全年累计除霜时间为500~1000小时,每公斤湿空气累计除霜量为7~20公斤,蒸发温度低于-8℃的运行时间小于110小时的地区可以大力推广使用。这种热泵的供热建筑面积也不宜太大,一般以建筑面积1万~1.5万平方米以及冬季单位面积热负荷不太大的建筑为宜。

  空气源热泵的安装要注意空气气流不能短路或几台热泵机组间气流发生干扰,以及机组的噪音对周围的影响。应按最佳平衡点选择合理的热泵容量和考虑辅助电加热的使用。在热泵的使用中应注意冷凝热回收的问题,目前,国内外均有可回收部分或全部冷凝热的空气源热泵机组。也可结合蓄冷(蓄热)使用热泵。

  在经济上要考虑设备成本等因素,如在冷热源的配备上采用水冷冷水机组与空气源热泵冷热水机组的组合,既降低了设备总成本,运行时又可有一定的节能效果。


4.其它类型热泵

  人们在不断完善空气源热泵的同时也在重视其它热源热泵的开发与应用。除了前面提到的水源热泵,还可以利用太阳能、地热能和废热等低位热能,如一定深度下的土壤的平均温度为10~20℃,将吸热盘管预埋在地下,可吸收地热而不受大气环境的影响,无除霜问题,值得很好地开发。国外也有将吸热盘管预埋在建筑物墙壁内及地基基础内以吸收太阳辐射能和地热,再通过热泵将这部分低位热能提升为高位热能向建筑物供热的介绍。朝阳的地方6m2的面积可提供1kW热量,无太阳直射处7.5m2的面积可提供1kW的热量。

  用电力热泵站进行区域集中供热也有较大的节能效果,这方面北欧有较成熟的经验。用热机直接驱动热泵,可回收热机的废热,热泵的效率比较高。

  在环境条件合适的地区使用空气源热泵对节能和环保均有积极的意义。我国煤的储量较大,并积极发展坑口电站。水力发电、风力发电和核电也会有较大的发展。电动热泵应有比较好的应用前景。我国的油、气资源并不丰富。不同地区应根据其环境特点、环保要求、能源结构与能源价格以及考虑设备使用综合成本等因素合理选择空调冷热源,也可考虑多种冷热源的配合使用,以达到对能源更合理的应用。热泵实质上是一种热量提升装置,它本身消耗一部分电能,从环境介质中提取几倍于输入电能的能量,提高温位进行利用,这也是热泵节能的原因。