热泵水地暖系统的节能分析.doc

第四届地暖高峰论坛优秀论文颁奖一等奖热泵水地暖系统的节能分析获奖者李元哲姜蓬勃清华大学建筑学院李远哲教授北京清华索兰环能技术研究所姜蓬勃所长要旨本文简要论述了低温热水地面辐射供暖系统的节能原理并对提供热水的不同热源进行了简单的对比分析本文重点对三种热泵水地暖形式即空气源热泵水源热泵和地源热泵又叫土壤源热泵的使用条件初投资和运行成本并以北京为例进行了重点分析对于太阳能地板采暖也初步做了技术经济论述一低温热水地面辐射供暖系统节能原理低温热水地面辐射供暖系统以下简称水地暖与散热器为末端的传统供暖方式相比除了具有舒适性强不占用空间等特点外更有明显的节能优势可有效利用低品位热能建筑热负荷水温室温可达到地面辐射供暖技术规程标准中给出使用管和地面层是水泥或陶瓷时平均水温管间距室温为时地板向上的散热量的可见地板所需要的水温在节能的建筑状况下水温在之间运行切实可行热稳定性好根据实测北京月中旬上述的建筑室温小时下降据测算水泥层含水管里的水每平米可以蓄热对于平米建筑可储热即接近节能建筑小时左右的采暖用热量室温稳定是人体舒适的重要指标之一有益于健康从人体生理方面热从脚下来对健康有益尤其在冬季可实现自主调节调节容易达到廉价自控节能运行由于使用地暖时室内环境等效温度高又因为室内温度场下高上低所以其设定室温可以比热风采暖低比散热器低可比热风采暖节能比普通散热器节能二水地暖系统的热源现状及合理性分析目前能够提供低温热水的热源种类按产生热量的能源分类可分为锅炉热泵地热太阳能等其中锅炉又可细分为电锅炉燃煤锅炉燃气锅炉燃油锅炉等热泵又可细分为空气源热泵地源热泵有人叫土壤源热泵和水源热泵也可按照能源的可再生属性分为可再生能源和不可再生能源一次能源和二次能源等按供热系统形式可分为集中供暖小区供暖分散供暖能源品位与地暖利用的合理性热量来自能源目前除了地热能和太阳能外多来自化石燃料这些燃料依其热力学评价方法做功能力分为不同品位天然气和油都可以作为动力源天然气比油对大气的污染少比用燃煤发电高直接利用高燃烧温度和高热值的燃料进行低温采暖是不合理的能源结构地热能和太阳能都是可再生的清洁的能源太阳能天然状况下能流密度低是低品位的绿色能源作为水地暖的热源应当引起关注在低供水温度下热泵的效率高这是突出特点应当注意到适合水地暖此外热泵可以实现冷暖联供甚至采暖空调生活热水三联供对于集中供暖因为有不同的采暖末端如空调需要温度散热器设计水温水地暖的温度是左右所以集中供暖的水温远高于水地暖的需要在每个用户的管路装换热或混水装置和水泵这就使高温水降低了它的可用能增加了运行的麻烦用高温热水直接供地暖会造成地板开裂此外不同的用户有不同的系统水阻力不同在一个水网路里容易产生水力不平衡关于太阳能地板采暖这项技术早在年清华大学用普通平板式太阳能集热器已在实验房实现近年来有了许多成功的案例如在农村住宅清华索兰在河北武安二层别墅清华阳光在公共建筑上的工程实践北京属寒冷地区但日照量分区仅次于拉萨新疆内蒙所以上述成功的案例大部分是利用高效平板或真空管集热器根据北京地区下属的气象资料见表一表一北京地区基本气象资料从上述的案例中可以初步总结出当太阳能集热面积建筑面积左右时全日运行建筑的太阳能供暖保障率室温为因此对太阳能这种不稳定的热源而言其不足的太阳采暖部分是用什么能源来辅助是至关重要的例如一座的节能建筑其采暖设计负荷为安装真空管式太阳能集热器南向倾角按北京地区的冬季气象条件运行辅助加热采用了一个的电锅炉其太阳能供暖的保证率为则有下列经济比较数据集热器的初投资为元万电锅炉的初投资为万运行费为万年热泵的初投资为万运行费为万年如果按年寿命期内总投资不计复利来计算电锅炉投资为万热泵投资为万初步研究发现在北京地区上述太阳能集热面积与建筑面积之比的情况下只要是晴天无论那个月份白天都可以供采暖小时没有过热损失而多云天可供所以取太阳能采暖面积与建筑面积之比为不但易与建筑结合而且没有过大的蓄热需求和过大的初投资上述举例可看出用热泵做太阳能的辅助热源是合理的但是要特别注意的是在系统上应当使它们的热效率互不影响三空气源水源地源热泵水地暖系统对比分析三种热泵形式适用条件的比较空气源热泵空气作为热的来源其优点是不受地域限制唾手可得取之不尽且不收费但缺点是按现有技术严寒地区有待进一步研究年清华索兰研究所在北京寒冷地区首次将空气源热泵应用于地板采暖无任何其它辅助热源时获得成功打破了以往误认的空气温度低于就不能应用空气源热泵采暖的传统概念全冬季节能率以上热泵的冬季平均为折合成一次能源其效率为与燃煤锅炉相当室温不低于几年来在全国已推广万以上在大连鞍山都有成功案例在室外气温情况下系统仍然保持正常运行清华索兰的空气源热泵地板空调系统经建设部鉴定为国内首创国际先进年又被国家发改委信息传播中心评定为第个最佳节能案例空气热泵诸多案例说明它不但能实现采暖的节能减排而且对于分户供暖计量实行自主调节尤为方便以北京长安新城住宅小区建为例一套住房选用空气源热泵地板采暖系统总投资万元投入运行后年节电按市电电价元计算每年可产生效益元每平米采暖费不足元与燃煤锅炉相当个采暖期可收回增加的设备投资并且提供了夏季供冷的中央空调系统年减排二氧化碳千克以炭计地源热泵是利用水盘管从土壤中取热的热泵以北京地区为例全年地下米深以下的土壤温度基本不变即为比空气全年平均温度高用水盘管从土壤中提取热量的水温为可见地源的温度高于空气源对热泵更为有利但土壤源热泵受地质条件的限制而且需要有较大的空地对于大型建筑地埋管面积制约很大水源热泵在地下井大约以上深的地下水全年水温基本不变但少许受地下浅层土壤温度的影响冬季水温为比土壤源和空气源的都高对热泵供暖比前两者都有利但是水源热泵受地质条件的限制尤其是回灌并且要确保对水源无污染三种热泵水地暖系统的经济性对比设计条件和运行工况以北京地区公共建筑为例设计负荷按设计总负荷为冬季个月平均负荷表二北京地区室外平均气温土壤温度地下水温表三三种热泵水地暖冬季工况的比较表四三种热泵水地暖初投资对比表五三种热泵水地暖运行成本对比结论与其他热源水地暖相比热泵水地暖的节能优势是明显的电能作为最清洁能源不会对环境造成任何污染太阳能供暖在北京地区要考虑辅助热源的问题与其它供暖形式相比热泵的另一大优势在于可以用于供热供冷也可以用于提供生活热水从热泵机组的容量来讲空气源热泵适合于单栋中型工建万平米以下和小区建筑及别墅空气源热泵不受地理条件限制除高寒地区外而水源和地源热泵受地理条件制约并且是从地下取热和排热因此都存在地下冷热平衡的问题从经济比较中看出空气源热泵的初投资是三种热泵形式中最低的而北京地区的供暖运行成本略高于其他两种热泵形式但是以的建筑为例每年的运行费在北京地区比其它的热泵高出多元所以在年内的运行费的增加与其它两种热泵初投资增加相比都是合算的结语相同热源和建筑围护结构条件下水地暖系统是舒适和节能的从热源角度考虑水地暖系统以电能为驱动能源通过热泵做功从空气中水中土壤里提取热量用于冬季供暖比锅炉热水地暖系统节能环保并且可以同时满足供冷和提供生活热水三种热泵形式中空气源热泵建设条件灵活且有经济上的优势但目前适用于中小型建筑