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热泵是通过做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)。
建筑空调系统由于必须由冷源,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。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产生热量,并通过若干传热环节最终为建筑供热。在锅炉和供热管线没有热损失的理想情况下,一次能源利用率最高不会超过100%,在现有技术条件下,热泵供热的性能系数可达3.5或更高,火力发电站的效率可达35%~58%,因此采用燃料发电再用热泵供热的方式,在现有先进技术条件下一次能源利用率可以达到200%。
研究表明,采用热泵的供热方式与直接燃烧矿物燃料供热方式相比,可以节省燃料40%以上,相应减少CO2的排放量。而用电阻加热设备把电能转化为热能的性能系数为1,当然是非常不经济的。热泵是减少CO2排放量的最经济有效的技术。现在全世界约有1.3台热泵在运行,总供热量为4.7×1018J,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,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。热泵利用的低温热源通常是环境或各种废热,由热泵从这些热源吸收热量属于可再生的能源。
热泵分类: 热泵可以分为空气源热泵(ASHP)和地源热泵(GSHP),地源热泵又可进一步分为地表水热泵(SWHP)、地下水热泵(GWHP)、地耦合热泵(GGHP)。
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,从室外空气钟吸收热量,经热泵提高温度送人室内供暖;其性能系数一般在2~3。空气源热泵系统简单,初投资低。空调源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在夏季高温和冬季寒冷天气时热泵的效率大大降低。
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。因此当空气温度低于热泵工作的平衡点温度时,需要用电和其他辅助热源对空气进行加热。而且在供热情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,已得到相当广泛的应用。
2) 地源热泵 地源热泵是一种利用地下浅层的热资源(也称地能,包括地下水、土壤或地表水等),通过输入少量的高位能源(如电能),将低温位能向高温位能转移,以实现既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵利用地能一年四季温度稳定的特点,冬季把地能作为热泵供暖的热源,即把高于环境温度的地能中的热能取出来供给室内采暖,夏季把地能作为空调的冷源,即把室内的热能取出来释放到低于环境温度的地能中。通常地源热泵消耗1KW的热量,用户可以得到4KW左右的热量或冷量。
与锅炉(电、燃料)供热系统相比,锅炉供热只能将90%以上的电能或70~90%的燃料内能为热量,供用户使用,因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能,比燃料锅炉节省二分之一以上的能量;由于地源热泵的热源温度全年较为稳定,一般为10~25℃,其制冷、制热系数可达3.5~4.4,与传统的空气源热泵相比,要高出40%左右,其运行费用为普通中央空调的50~60% 。
因此,近十几年来,尤其是近五年来,地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及法国、瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展,中国的地源热泵市场也日趋活跃,可以预计,该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。
另外热泵热源可以是工业循环冷却水(如高温烟气冷却水等),通过热泵回收低品位热源中的热能,使热能利用效率最大化。