暖通设计培训-暖通设计补充知识点

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暖通设计培训-暖通设计补充知识点

地源热泵与建筑节能
1、热泵与建筑供热空调
随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍
的需求。在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的 25-30%。我国的能源
结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃烧产生的大量污染物，包括大量 SO2,
NOX 等有害气体以及 CO2 等温室效应气体。大量燃烧矿物燃料所产生的环境问题已日
益成为各国和公众关注的焦点。我国的供热已经历了一家一户的小煤炉到燃煤锅炉
的转变。现在又进一步禁止在城镇建设中小型燃煤锅炉房，体现了对保护大气环境
的高度重视。因此，除了集中供热的型式以外，急需发展其他的替代供热方式。热泵就
是能有效节省能源、减少大气污染和 CO2 排放的供热和空调新技术。
1.1 热泵原理与组成
热泵（制冷机）是通过作功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。建筑
的空调系统一般应满足冬季的供热和夏季制冷两种相反的要求。传统的空调系统通常需
分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉）。建筑空调系统由于有冷源（制冷机），如
果让它在冬季以热泵的模式运行，则可以省去锅炉和锅炉房，不但节省了初投资，而且
全年仅采用电力这种清洁能源，大大减轻了供暖造成的大气污染问题。
热泵空调系统通常由制冷剂环路、室内环路和低温热源换热环路等环路组成。有的
还设有加热生活热水的环路。不同类型的热泵，其制冷剂环路和室内环路基本相同，但
其低温热源换热环路各有不同。如分体空调的室外机是空气源热泵的低温热源换热环
路，而地热换热器则是地源热泵的低温热源换热环路。
将水从生活热水箱送到冷凝器去进行循环的封闭加压环路，是一个可供选择加热生
活热水的环路。对于夏季工况，该循环可充分利用冷凝器排放的热量，不消耗额外的能
量而得到热水供应；在冬季，其耗能也大大低于电热水器（参见图 1）。
1.2 热泵特点
采用热泵为建筑物供热可以大大降低一次能源的消耗。通常我们通过直接燃烧矿物
燃料（煤、石油、天然气）产生热量，并通过若干个传热环节终为建筑供热。在锅炉
和供热管线没有热损失的理想情况下，一次能源利用率（即为建筑物供热的热量与燃料
发热量之比）高可为 。如果先利用燃烧燃料产生的高温热能发电，然后利用电
能驱动热泵从周围环境中吸收低品位的热能，适当提高温度再向建筑供热，就可以充分
利用燃料中的高品位能量，大大降低用于供热的一次能源消耗。供热用热泵的性能系数，
即供热量与消耗的电能之比，现在可达到 3~4。而用电阻加热设备把电能转化为热能的
性能系数为 1。
热泵是减少 CO2 排放量的经济有效的技术。现在全世界约有 1.3 亿台热泵在运行，
总供热量约为每年 4.7×109 GJ，每年减少 CO2 排放量约为 1.3 亿吨。随着热泵技术的进
一步改进和发电效率的进一步提高，采用热泵技术供热使全世界 CO2 排放量减少 16%
是有可能的。因此，它是建筑节能和减少 CO2 排放的关键技术之一。除了减少矿物燃料
的消耗以外，由于在大型电站中集中燃烧矿物燃料发电有利于采用技术除去或减少
燃烧产物中的粉尘、SO2 和 NOx 等大气污染物，采用电动热泵供热与分散的锅炉房供热
相比还可以大大减少燃煤产生的大气污染。
热泵能够充分利用可再生能源，是一项可持续发展技术。热泵利用的低温热源通常
是环境（大气、地表水和大地）或各种废热。由热泵从这些热源吸收的热量属于可再生
的能源。如地源热泵冬季把大地中的热量升高温度后对建筑物供热，同时使大地的温度
降低，即储存了冷量，可供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对
建筑物降温，同时在大地中储存的热量以供冬季使用。这样大地就起到了蓄能器的作用，
进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。
如上所述，地源热泵用地热换热器作为低温热源环路，不需要冷却塔和室外热交换
装置；用制冷机组（热泵）取代了锅炉。因此对于建筑师来说，地源热泵供热空调系统
还有一个重要的优点，就是去除了传统空调系统所需的锅炉房和冷却塔。这些设施对建
筑空间的需求和限制，往往成为建筑师的难题。而地源热泵空调系统没有室外设施，对
建筑物的外观无影响。因此这一技术特别适用于景观性建筑、古建筑以及难以设置冷却
塔的空调项目，有利于保护这些建筑的立面及周边环境不被破坏，解决无处设置冷却塔
或锅炉房的问题。例如在温州市世纪广场中心的标志性建筑的空调系统中采用了地源热
泵作为冷热源，主要就是出于景观要求的考虑。
2、空调热泵的分类及技术分析
以建筑物的空调（包括供热和制冷）为目的的热泵系统有许多种，例如有利用建筑
通风系统的热量（冷量）的热回收型热泵和应用于大型建筑内部不同分区之间的水环热
泵系统等。本文主要讨论利用周围环境作为空调冷热源的热泵系统。就其性质来分，国
外的文献通常把它们分为空气源热泵 (air source heat pump, ASHP) 和地源热泵（ground
source heat pump, GSHP）两大类。地源热泵又可进一步分为地表水热泵 (surface-water
heat pump，SWHP)、地下水热泵 (groundwater heat pump, GWHP) 和地下耦合热泵
(ground-coupled heat pump, GCHP)。我国对热泵系统的术语尚未形成规范的用法。例如
对地下水热泵系统有“地温空调”的商业名；而地下耦合热泵则在一些文献中称为“土壤
源热泵”，或直接称为“地源热泵”。
2.1 空气源热泵
空气源热泵以室外空气为一个热源。在供热工况下将室外空气作为低温热源，从室
外空气中吸收热量，经热泵提高温度送入室内供暖；其性能系数（COP）一般在 2～3。
空气源热泵系统简单，初投资较低。空气源（风冷）热泵目前的产品主要是家用热泵空
调器、商用单元式热泵空调机组和风冷热泵冷热水机组。
空气源热泵的主要缺点是在夏季高温和冬季寒冷天气时热泵的效率大大降低。此
外，其所必需的室外机或冷却塔对建筑物有一定的影响或损坏作用。空气源热泵的制热
量随室外空气温度降低而减少，这与建筑热负荷需求趋势正好相反。因此当室外空气温
度低于热泵工作的平衡点温度时，需要用电或其他辅助热源对空气进行加热。而且，在
供热工况下空气源热泵的蒸发器上会结霜，需要定期除霜，这也消耗大量的能量。在寒
冷地区和高湿度地区热泵蒸发器的结霜可成为较大的技术障碍。在夏季高温天气，由于
其制冷量随室外空气温度升高而降低，同样可能导致系统不能正常工作。空气源热泵不
适用于寒冷地区，在冬季气候较温和的地区，如我国长江中下游地区，已得到相当广泛
的应用。