外文翻譯--地源熱泵【中英文文獻(xiàn)譯文】
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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯學(xué) 院: 機(jī)械電子工程學(xué)院 專 業(yè): 熱能與動力工程 姓 名: 趙 龍 學(xué) 號: 080504110 外文出處: Applied Energy 35 (2011)3256-3264 附 件: 1.外文資料翻譯譯文;2.外文原文。 指導(dǎo)教師評語: 簽名: 年 月 日附件1:外文資料翻譯譯文地源熱泵系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析及與其它熱力方式的比較Stuart J. Self *, Bale V. Reddy, Marc A. RosenFaculty of Engineering and Applied Science, University of Ontario Institute of Technology, 2000 Simcoe Street North, Oshawa, Ontario, Canada L1H 7K4摘要 在很多地區(qū)供熱在生活中是必不可少的,且不斷增長的能源需求和污染物的排放使傳統(tǒng)的加熱技術(shù)受到挑戰(zhàn),包括地?zé)帷Φ卦礋岜孟到y(tǒng)的評估包括熱泵技術(shù)、接地情況、當(dāng)今世界上的地位和近期的發(fā)展。對地源熱泵和傳統(tǒng)加熱方式在成本、二氧化碳排放及其它參數(shù)方面進(jìn)行比較。當(dāng)電價較低的時候用地源熱泵是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的。當(dāng)電力生產(chǎn)利用能源率較高時選擇地源熱泵機(jī)組有著最低的污染排放量。關(guān)鍵詞 熱力 地?zé)崮?熱泵 蓄能 效率 經(jīng)濟(jì)1 引言全球的大部分能源供應(yīng)被用來發(fā)電和對特定空間的供熱,這些能源多數(shù)來自化石燃料?;剂系目偭坑邢薅宜娜紵龑Νh(huán)境是有害的:排放導(dǎo)致氣候變化的溫室氣體和其它污染物。我們對能源的需求正在不斷增長而且完全可以預(yù)見到未來化石燃料的短缺1。Hammond2認(rèn)為伴隨化石燃料的燃燒產(chǎn)生的全球變暖和污染物排放對于構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)是一個不容忽視的因素。這種擔(dān)心對于降低整個社會對化石燃料的依賴有著積極的影響,它使人們有意識的降低對能源的需求并且努力尋找替代能源。尋找對環(huán)境更加友好且經(jīng)濟(jì)的能源來替代傳統(tǒng)化石燃料燃燒。除化石燃料以外,地球表面下儲存著豐富的熱能。由于污染物的排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的化石燃料燃燒能源系統(tǒng),所以說地?zé)崮茉聪到y(tǒng)是非常環(huán)保的3,4。地?zé)崮茉吹睦弥饕ㄟ^三種方法:發(fā)電、直接供熱、通過地源熱泵間接的供熱或制冷。這三種利用方法分別用到了地?zé)岬母?、中、低三個不同溫度的資源。高溫和中溫的能源通常來源于由熔化的地殼產(chǎn)生的熱流體,從大面積的水或者熔漿中聚集。低溫能源接近周圍的環(huán)境溫度而且大多源于地表和周圍空氣對太陽能的吸收。高、中溫?zé)崃δ茉匆话愣荚诘厍蛏钐?,而由于鉆孔和其它開發(fā)方法在極深地方的費(fèi)用會變得很高,所以深度對開發(fā)高、中溫?zé)崃δ茉吹慕?jīng)濟(jì)性有很大的影響。低溫地?zé)豳Y源豐富而且在全世界大多數(shù)地區(qū)都可以開發(fā)和利用。由于深度較小涉及問題少,提取這種能源相當(dāng)?shù)暮唵?。熱泵提高低溫?zé)嵩吹臏囟仁怪_(dá)到實(shí)際應(yīng)用的需求。地源熱泵可以使空間加熱變得環(huán)保和經(jīng)濟(jì),并且可以應(yīng)用于一定空間的制冷。本文審視地源熱泵系統(tǒng)并且把它和其它的熱力系統(tǒng)進(jìn)行比較,以提高對地源熱泵的認(rèn)識并且提高它在合適情況下的利用率。2 地源熱泵地源熱泵能夠經(jīng)濟(jì)高效的提供熱量,并且排放的污染物很少6。熱泵的概念自1800年被人所認(rèn)可,至今已經(jīng)商用約六十余年。類似于冰箱,熱泵將較低溫度熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到溫度較高的介質(zhì)中7。熱泵提供的熱量是可利用的,通常應(yīng)用于適宜的溫度環(huán)境下來保持一定空間的舒適性。熱泵最有吸引力的一個特點(diǎn)是,熱泵所傳輸?shù)臒崃繒嘤谶\(yùn)行過程本身所需求的能量4,8。地源熱泵(GHPs),也被稱作土壤源熱泵、地?zé)崮芰肯到y(tǒng)、地下耦合熱泵、地面耦合熱泵9,10,是由三個主要系統(tǒng):l 地源熱泵:使熱量在地面和建筑間轉(zhuǎn)移并改變熱量的溫度11。l 接地系統(tǒng):通過換熱器促進(jìn)熱量從地面的吸收,供給地源熱泵11。l 室內(nèi)供熱系統(tǒng):調(diào)整和輸送適度的熱量到特定空間11,12。2.1 熱泵系統(tǒng)熱泵系統(tǒng)以電為動力驅(qū)動壓縮機(jī),來保持工質(zhì)必要的濃度同時傳遞熱能4,8。基本的熱泵系統(tǒng)用于運(yùn)行蒸汽壓縮制冷循環(huán)。熱泵內(nèi)的工質(zhì)通常是使用制冷劑,制冷劑的選擇由地源熱泵的整體特點(diǎn)和要求所決定6,13。地源熱泵系統(tǒng)通過控制工質(zhì)的壓縮和膨脹來改變其壓力和溫度,從而實(shí)現(xiàn)熱量在地源和供熱空間之間的傳遞4,8,11。熱泵主要包括五個組件(圖1) 10,11,14:壓縮機(jī)、膨脹閥、換向閥、兩個熱交換器。當(dāng)然還有很多小型的組件和配件,例如:風(fēng)機(jī)、管道和輔助控制系統(tǒng)。圖1 地源熱泵系統(tǒng)及減溫器基本布局地源熱泵的加熱流程如下12:l 從地源吸收熱能并輸送到蒸發(fā)器。l 熱泵機(jī)組內(nèi)制冷劑占主導(dǎo)地位的工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器,熱量從接地系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到工質(zhì)中從而引起制冷劑升溫沸騰成為壓力較低的蒸汽;溫度略有增加。l 蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入電動壓縮機(jī),壓縮之后成為高溫高壓蒸汽。l 高溫蒸汽進(jìn)入冷凝器。此時制冷劑高于外部空間,從而促使熱量熱量從制冷劑傳遞到建筑空間中。制冷劑降溫凝結(jié),成為高溫高壓液體。l 熱液體通過膨脹閥,壓力降低從而使溫度下降。制冷劑再次進(jìn)入蒸發(fā)器,開始下一個循環(huán)包括制冷系統(tǒng)在內(nèi)的許多系統(tǒng)是要把特定空間中的熱量轉(zhuǎn)移釋放到土地中去。在制冷模式下,四通閥作用于流體,使工質(zhì)在循環(huán)中按照相反的方向流動。換熱器的功能反轉(zhuǎn),與地源相連的熱交換器成為冷凝器,建筑空間中的熱交換器成為蒸發(fā)器8,12。有一些系統(tǒng),包括減溫器(圖1),作為輔助換熱器將熱量傳遞到一個熱水箱。減溫器安裝在壓縮機(jī)出口處,將壓縮氣體所產(chǎn)生的熱量通過熱水箱傳遞到水循環(huán)中,這樣一來能夠降低甚至消除加熱水所需的熱量。能源利用效率優(yōu)劣的評價,一般是用系統(tǒng)產(chǎn)出的能量比上運(yùn)行系統(tǒng)所消耗的能量。熱泵所能產(chǎn)出的熱量多于輸入熱泵的能量,也就是說,按照能效比的定義,熱泵的能效比是大于100%的。為了避免這種尷尬,定義系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的制冷或制熱量與輸入功率的比值為用長期性能系數(shù)(COP),以此評價熱泵性能9。地源熱泵的COPs通常在3到6之間,取值依賴于系統(tǒng)與地連接設(shè)置、系統(tǒng)大小、地源特點(diǎn)、安裝深度、當(dāng)?shù)貧夂虻忍攸c(diǎn)10,15。2.2 熱量輸送系統(tǒng)熱泵系統(tǒng)的供熱系統(tǒng)將熱量由熱泵輸送到整個空間。輸送系統(tǒng)主要有兩種:水-空氣傳熱與水液體傳熱。水空氣傳熱系統(tǒng)將能量有地源轉(zhuǎn)移到空氣,由空氣作為向空間傳熱的傳輸介質(zhì),水液體供熱系統(tǒng)是由水和另外一種作為介質(zhì)的液體進(jìn)行換熱。在北美,最常見的地源熱泵系統(tǒng)是水空氣換熱的,熱泵的冷凝器加熱空氣線圈,熱空氣從其中通過。熱空氣通過空調(diào)管道和通風(fēng)口進(jìn)入建筑12,16。水液體加熱系統(tǒng)俗稱液體循環(huán)系統(tǒng),在此系統(tǒng)中,能量由接地線圈從地源吸收,接著被熱泵加熱并傳遞至水中,由水作為介質(zhì)傳遞至建筑中。系統(tǒng)中的水通過地源熱泵系統(tǒng)冷凝器吸取熱量。之后水由泵驅(qū)動環(huán)繞建筑轉(zhuǎn)動,將熱量由地面輻射供熱、散熱器或局部空氣線圈等供熱方式方式傳遞至空間中。這種系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的強(qiáng)制對流系統(tǒng)需要較低的溫度。室內(nèi)溫度最高的空氣在加熱爐中被強(qiáng)迫向天花板上升,形成一個涼爽舒適的居住空間。為了能使生活空間更加接近于期望的溫度,進(jìn)入空間氣體的溫度必須高于空間本身溫度。地板輻射供熱的空間溫度由地板到天花板都會很均勻,提供舒適的生活溫度需要的能量更低8, 15,16。也有混合的動力系統(tǒng),它結(jié)合了兩種系統(tǒng)的供熱方法,能夠更加有效靈活的控制空間溫度。2.3 接地系統(tǒng)空氣源熱泵使用周圍環(huán)境作為熱源,地源熱泵使用地面作為熱源。環(huán)境空氣溫度一年四季以及每天的差異相對地面都更加大17。淺于0.8米的地面每天的溫度會有波動,而更深的地方溫度基本沒有變化。地面溫度隨季節(jié)的變化比較明顯,每天的變化比較小。圖2顯示了地面溫度在一年內(nèi)加拿大渥太華的地表溫度一年內(nèi)的變化。隨著深度的增加,極端高溫和極端低溫開始大范圍出現(xiàn)。地面以下的溫度取決于很多因素,如太陽輻射、積雪、氣溫、降水和地面的熱性能。在加拿大每年持續(xù)觀察深于十米的水溫18。如圖3顯示了渥太華不同深度隨季節(jié)變化的溫度變化情況。地面下深度(m)圖1 加拿大渥太華,地面溫度與深度的變化關(guān)系。Ref修正12。地源熱泵利用了地面溫度相對恒定,而且在冬天溫度高于環(huán)境空氣溫度,在夏天低于環(huán)境空氣溫度17的特性。地面溫度仍然接近建筑環(huán)境所期望的溫度值。當(dāng)內(nèi)部和外部的溫度出現(xiàn)劇烈的變動時,空氣源熱泵如要提供相同程度的熱量需要做更多的工作,這會導(dǎo)致能效比的降低14。如果存溫差大小出現(xiàn)變化,熱泵系統(tǒng)不需要額外操作。接地系統(tǒng)或者接地環(huán)路熱交換器由使流體在熱泵系統(tǒng)和地面間傳輸?shù)囊皇苈方M成。兩種主要的回路設(shè)計(jì)方法是:雙回路和單回路構(gòu)造。溫度(C)圖3 加拿大渥太華一年內(nèi)不同時期地表溫度變化。Ref修正12。2.3.1 雙回路構(gòu)造雙回路配置是最常見的系統(tǒng)配置,包含一個獨(dú)立于熱泵系統(tǒng)之外的接地系統(tǒng)。熱泵機(jī)組由地面獲取的熱量通過熱交換器由水或水/防凍劑混合物轉(zhuǎn)移到制冷劑。目前標(biāo)準(zhǔn)管道規(guī)格是由聚乙烯或聚丙烯制造,內(nèi)徑19mm(3/4英寸),作為中小型規(guī)模應(yīng)用。有兩種雙回路構(gòu)造:閉環(huán)式和開放式。2.3.1.1 閉環(huán)式系統(tǒng)閉環(huán)式系統(tǒng)的應(yīng)用很常見,其中傳熱流體存在于循環(huán)線圈中,不與地面產(chǎn)生直接接觸;熱量在地面和管道之間進(jìn)行傳遞20。閉環(huán)系統(tǒng)分作四類:縱向、橫向、螺旋等。垂直閉環(huán)系統(tǒng)由垂直方向的熱交換管道組成。有一個深入地面的孔道,一般深度在4575m,面積較大的建筑和工業(yè)使用可能會超過150m。建筑底部有一個U形連接器,與兩個管道連接接入孔中(圖4)21。為了強(qiáng)化傳熱,管道和井壁之間充滿了一種可用泵吸收的漿狀材料20,22。為了確保在多重多樣的鉆孔中流動順利進(jìn)行,需要采用歧管系統(tǒng),這種系統(tǒng)可以安置在系統(tǒng)內(nèi)部或者循環(huán)區(qū)域內(nèi)部。垂直循環(huán)的一個優(yōu)勢是降低了安裝面積,使它更適用于土地面積有限的情況。另一個促進(jìn)它使用的因素是它不會破壞周圍環(huán)境,因?yàn)殂@孔相對挖溝來說影響較小17,23。此外,由于地下深處的溫度一年四季接近恒定,將管道定位在那里使地源熱泵有著穩(wěn)定的熱性能并能降低整個回路的長度20,23。使用這種系統(tǒng)最大的缺點(diǎn)是安裝成本較高,因?yàn)殂@孔比挖溝要昂貴的多。因此,垂直閉環(huán)系統(tǒng)更多應(yīng)用于大規(guī)模工程9。在地面面積充足的地方常見的是水平閉環(huán)系統(tǒng),接地回路鋪于溝中后埋入地下。根據(jù)傳熱要求和土地情況,循環(huán)的安排方式可能有所差別。三種最常見的布局形式是基本回路(圖5)、連續(xù)回路(圖6)、并行回路(圖7)。相對于連續(xù)式和并列式回路,基本回路布局通常需要占用較大的面積。連續(xù)回路降低了對面積的要求而且簡單易安裝,所以也很常見9。連續(xù)回路和并列回路可以結(jié)合使用,能夠提高安裝使用的靈活性。對于住宅設(shè)施來說,水平式比垂直式更加具有經(jīng)濟(jì)性,因?yàn)橥跍系某杀具h(yuǎn)小于鉆孔9。放置管道的溝深度一般不超過幾米,但在會出現(xiàn)霜凍的地區(qū),應(yīng)當(dāng)在凍土層以下。隨著深度降低,土壤和周圍環(huán)境的相互作用增強(qiáng),這將導(dǎo)致不同時間段和不同季節(jié)地面溫度出現(xiàn)變化,進(jìn)而影響傳熱和系統(tǒng)性能。影響傳熱的其它因素包括雨水、降雪、植被情況和陰影等9。這些因素都會導(dǎo)致水平系統(tǒng)比垂直系統(tǒng)需要安排更多的管路。水平系統(tǒng)需要水/防凍液混合,作為寒冷氣候下的防凍保護(hù)9。圖4 垂直閉環(huán)熱交換的地?zé)釤岜孟到y(tǒng)圖5 地源熱泵水平閉環(huán)基本回路圖6 地源熱泵水平閉環(huán)連續(xù)回路圖7 地源熱泵水平閉環(huán)并列回路閉式螺旋循環(huán)的排布類似傳統(tǒng)的水平循環(huán),因?yàn)樗彩撬降姆胖糜跍\溝內(nèi)。但是,螺旋循環(huán)的管道在溝內(nèi)是圓形放置的,每個螺旋有管道直接通向熱泵9,24。螺旋循環(huán)相對于水平循環(huán)占用的面積較小,而且對溝的要求也更低,但對于固定的負(fù)載它需要更長的管路。有的螺旋循環(huán)是將管道放置于垂直的窄溝中。這種垂直排布的主要優(yōu)勢是降低了對水平面積的需求,也允許了很多種類挖溝設(shè)備的使用,有時有利于降低成本17。需要注意的是,在挖溝花費(fèi)構(gòu)成地源熱泵系統(tǒng)的主要成本時,螺旋循環(huán)能夠降低初始成本,在材料花費(fèi)更大時是不會提高經(jīng)濟(jì)性的21。螺旋循環(huán)相對于水平循環(huán)的其它缺點(diǎn)包括:更低的傳熱量和更大的傳熱面積需求。由于螺旋循環(huán)管道長度增加,因此相對于其它水平排布循環(huán)對泵有著更大的需求,這就降低了系統(tǒng)COP。閉環(huán)式池塘循環(huán)是閉式循環(huán)中最少見的熱交換系統(tǒng),基本上是淹沒在水體中的螺旋式閉環(huán)系統(tǒng)。盤繞的管道接入框架并用混凝土固定??蚣芡ǔT诔靥恋撞恳陨?348cm,以便管道周圍流體形成對流21。循環(huán)管道位置一般要超過1.8m深,這對于保證水質(zhì)環(huán)境較低情況下,熱質(zhì)的穩(wěn)定是必不可少的,并且能夠確保在寒冷的季節(jié)管道周圍水溫不會低于水的冰點(diǎn)。由于河流的水文情況不是很穩(wěn)定,因此不適合應(yīng)用此系統(tǒng),例如洪水或碎石可能會使管道損壞9,24。池塘循環(huán)正在日益普及,部分原因是因?yàn)橄啾扔谄渌到y(tǒng)需要更少的管道,而且有著優(yōu)越的傳熱特性,既不需要鉆井也不需要挖溝。這個系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要一個足夠到的水體,而且對水體有著諸多限制,例如禁止劃船。2.3.1.2 開環(huán)式系統(tǒng)開放式熱交換系統(tǒng)直接與地面進(jìn)行熱交換。這些系統(tǒng)都使用當(dāng)?shù)氐牡叵滤虻乇硭?,如湖泊、池塘,作為直接傳熱媒介。水抽出后流過熱泵熱交換器,之后流回地下或者用于灌溉9。目前,對廢棄礦井中豐富水源的利用越來越廣泛,因?yàn)槌錆M熱水的廢礦井可以使地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用變得非常廉價。開放式系統(tǒng)更加傾向應(yīng)用于大型熱泵系統(tǒng)。目前應(yīng)用開環(huán)系統(tǒng)的最大的地源熱泵系統(tǒng),為賓館和辦公樓提供10MW的熱量9。常見的開環(huán)式系統(tǒng)有三種:提取井、回灌井和地表水系統(tǒng)(圖8)。水從一個達(dá)到地下水位的生產(chǎn)井抽取,之后流經(jīng)熱泵熱交換器,之后流回距離生產(chǎn)井有一段距離的地下,這段距離足以讓熱量由地表傳遞到水中9?;毓嗫梢耘懦婚_放引流價格便宜,但需要有豐富的水源供應(yīng)熱泵,有一個切實(shí)夠大的容量以備長期使用14。熱泵機(jī)組水流量一般在5.711.4L/m。圖8 開放式熱泵換熱系統(tǒng)及地源熱泵生產(chǎn)井和注水井。開環(huán)系統(tǒng)的好處是水源溫度基本保持不變。因?yàn)楸苊饬说卦礋岜孟到y(tǒng)額外的與地連接的熱交換器,這就提高了COP18。由于不同的抽取方法,開環(huán)式系統(tǒng)可以承擔(dān)很高的載荷而且有著很高的COPs,并能降低成本9。此外,開環(huán)式系統(tǒng)相對于閉環(huán)式垂直系統(tǒng)需要的鉆孔較少,有著簡單的對地鏈接設(shè)計(jì),并能降低運(yùn)行成本。地源熱泵需要抽取一定量的水,這有可能受到當(dāng)?shù)厮Y源保護(hù)法則的限制。開環(huán)式系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要保護(hù)水質(zhì),由于通常使用干凈的地下水或地表水,開環(huán)式系統(tǒng)有時是被禁止的18。開環(huán)系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)之間的熱交換器很容易受到腐蝕、污染和結(jié)垢,因此水應(yīng)該處于中性并且含有一些微量礦物質(zhì),例如鐵24。如果水的化學(xué)性質(zhì)不接近于中性,那么使用者的維修次數(shù)可能會大大提高9。2.3.2 單回路配置單回路配置也被稱作直接交換系統(tǒng),熱泵工作流體流經(jīng)地面換熱器,從而避免了接地環(huán)路對熱交換器的需要。在供熱過程中,接地環(huán)路基本上成為熱泵蒸發(fā)器。單回路配置還排除了接地環(huán)路循環(huán)泵,而不是依靠增大壓縮機(jī)。這些措施都增加了地源熱泵的COP18。由于銅管優(yōu)越的傳熱性能,經(jīng)常應(yīng)用于這些系統(tǒng)中以減少需要的排布面積。直接換熱的壓力較大,需要良好的施工以避免因管道破裂對系統(tǒng)運(yùn)行的影響。如果管道破裂,整個系統(tǒng)可能需要挖出來進(jìn)行維修。另一個缺點(diǎn)是涉及增加接地回路容納制冷劑的體積,這會增加系統(tǒng)成本9。盡管如此,由于具有較高的COPs,單回路配置系統(tǒng)的應(yīng)用越來越普及,而且一些國家(法國和奧地利)正在研究與蒸發(fā)器直接換熱加上一些設(shè)施直接冷凝來進(jìn)行地板式供熱9。2.4 全球地位地源熱泵的主要優(yōu)勢是能夠利用溫度在5-30的土壤和地下水,而這個溫度范圍在全世界各地的一定深度都會存在15。如,在2004年約30個使用地源熱泵系統(tǒng)的國家,領(lǐng)先的國家有美國、瑞典、德國、瑞士、加拿大和奧地利等。表1列出了有安裝地源熱泵能力的幾個國家。截止2004年全球安裝的地源熱泵熱能力12萬千瓦左右,每年的能源使用需求在20億千瓦時。該技術(shù)在法國、荷蘭、中國、日本、俄羅斯、英國、挪威、丹麥、愛爾蘭、澳大利亞、波蘭、羅馬尼亞、土耳其、韓國、意大利、阿根廷、智利、伊朗、英國和挪威15逐漸興起。自1994年以來的年均增長率一直在10左右,目前大約是170萬的應(yīng)用12。美國和歐洲的領(lǐng)導(dǎo)人,目前也出于經(jīng)濟(jì)增長考慮發(fā)展該技術(shù)。表1 2004年熱泵技術(shù)使用領(lǐng)先的國家國家熱裝機(jī)容量(MW)每年能源使用(GWh)地源熱泵安裝數(shù)量美國瑞典德國瑞士加拿大澳大利亞630020005604404352756300800084066030037060000020000040000250003600023000地源熱泵技術(shù)的增長一直比其他可再生能源與常規(guī)能源技術(shù)慢一些。增長受限可以歸因于諸多因素,包括非標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、相對于其它系統(tǒng)較高的成本、人們對于GHPs安裝知識有限、政府政策的限制、經(jīng)濟(jì)規(guī)模和地區(qū)經(jīng)濟(jì)的限制6,18。盡管有這些問題存在,但是卻正在不斷的被解決,提高了人們對該技術(shù)的接受程度15。3 近期發(fā)展近期有很多關(guān)于地源熱泵系統(tǒng)各個方面發(fā)展的報告。3.1 輔助冷卻組件由于壓縮機(jī)和泵都不是100%的效率,它們運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量直接被釋放浪費(fèi)掉。壓縮機(jī)和泵產(chǎn)生的廢熱可用于預(yù)熱循環(huán)泵中的制冷劑。將制冷劑通入一個密封的外殼,覆蓋于泵和壓縮機(jī)外面,由它們的電動機(jī)驅(qū)動能夠?qū)崿F(xiàn)將熱量傳遞出去。預(yù)熱能夠提高組件性能,提高整個地源熱泵系統(tǒng)的COP,以及降低接地回路換熱器的熱負(fù)荷8。3.2 地面霜凍循環(huán)在多年凍土地區(qū)地源熱泵的使用也逐步開始。建筑地基傳熱可能使永久凍土層融化并危及結(jié)構(gòu)的完整性。通過安裝一個緊鄰地基的地面循環(huán),凍土融化的現(xiàn)象可能降低甚至消失。從地基散發(fā)的熱量被循環(huán)系統(tǒng)抽取,以確保建筑不會大幅度影響當(dāng)?shù)氐乇頊囟?。抽取的熱量用于補(bǔ)充建筑所需的熱量,通常占建筑所需總熱量的2050%。該系統(tǒng)不應(yīng)當(dāng)使地面凍結(jié)的時間超過自然周期內(nèi)凍結(jié)的時間,不應(yīng)當(dāng)擾亂當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。熱交換回路應(yīng)當(dāng)時安全可靠的,以防出現(xiàn)故障影響到建筑的穩(wěn)定性12。3.3 單井回灌熱交換系統(tǒng)單井回灌某些方面結(jié)合開放式和封閉式水熱交換系統(tǒng)。它們本質(zhì)上是地下水源熱泵系統(tǒng),使用來自于半開放式循環(huán)安排的井水。在這樣的系統(tǒng)中,一個垂直鉆孔深入來自深巖井底部溫水中,用潛水泵抽取供給熱泵機(jī)組。冷水被引止抽水井口附近。冷水深入地下過程中吸取土壤中的熱量,從而避免了單獨(dú)建造一個注水井。單井回灌系統(tǒng)最近越來越被人所接受,因?yàn)樵诤线m的地區(qū)它們有著良好的整體性能。該系統(tǒng)被安裝在地表有4560m石床的地點(diǎn)。國內(nèi)作為飲用水源的井很容易被改造應(yīng)用于該系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于充滿水的礦井和隧道9。4 供熱系統(tǒng)的分析比較在以下供暖系統(tǒng)間進(jìn)行比較:地源熱泵、空氣源熱泵、電動基板、熱水器、天然氣爐(中、高效率)。加拿大三個省份(阿爾伯塔省、安大略省和新斯科舍?。┻M(jìn)行效率、成本和排放量評估。結(jié)果列于表2、3。在歐洲的發(fā)展也進(jìn)行了探討。4.1 效率地源熱泵具有高效率,反映在他們的COPs。典型的等效于COP的系統(tǒng)有以下這些:地源熱泵:3-5、空氣源熱泵:2.3-3.5 、踢腳線電熱水器:1、中間效率天然氣爐: 0.78-0.82、高效率天然氣爐:0.88-0.97 。4.2 經(jīng)濟(jì)性相比于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng),地源熱泵系統(tǒng)初始成本大幅提高,主要因?yàn)榈卦礋岜脵C(jī)組和接地裝置(包括鉆井和挖溝的成本)等資金的投入。但是,地源熱泵能夠高效的降低運(yùn)行成本。4.2.1 在加拿大的經(jīng)濟(jì)性趨勢對于在加拿大的情況分析是,假設(shè)所有條件相同的情況下初始投資成本的評估。在天然氣特定的省份,每年供熱成本為基礎(chǔ)的電力成本。假設(shè)20年的壽命和平均COP 4的地?zé)嵯到y(tǒng)。典型地?zé)岜糜?0-25年的保證,但存在有超過30年運(yùn)行的系統(tǒng)。假定系統(tǒng)安裝不需要新的管道安裝。表2總結(jié)了評估成本。結(jié)果表明地?zé)釤岜玫慕?jīng)濟(jì)可行性很大程度上取決于位置。電力、天然氣的價格和其他取暖燃料價格具有區(qū)域性。在阿爾伯塔省和新斯科舍地源熱泵是最經(jīng)濟(jì)競爭力的選擇。在安大略省的空氣源熱泵有決心20年后極大降低成本。艾伯塔省和新斯科舍省比安大略省有較高的電力價格,直接影響到了這一調(diào)查結(jié)果。高電價促進(jìn)了空氣源熱泵和電動地板的推廣使用。研究還發(fā)現(xiàn),當(dāng)天然氣的價格較低時,使用天然氣和地源熱泵供暖花費(fèi)之間的差距縮小。當(dāng)天然氣或其它燃料價格較低時,使用地源熱泵可能并非最經(jīng)濟(jì)的選擇18。在特定的地區(qū)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)表現(xiàn)出漸增的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,因?yàn)榈卦礋岜迷诜聪蚬ぷ鲿r使它們能夠從建筑中吸收能量傳遞至地面。而傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)需要一個單獨(dú)的空間制冷空調(diào),地源熱泵系統(tǒng)避免這種初始成本24。地源熱泵系統(tǒng)的投資回收期通常是6至20年之間,根據(jù)資金成本、能源價格和能源價格不斷上漲18。另一個沒在研究中量化的優(yōu)勢是,設(shè)備本身的價值。GHPs傾向于增加屬性值,能夠?qū)崿F(xiàn)建設(shè)和土地投資的高回報,并促進(jìn)更理想的抵押貸款評估18。請注意,地源熱泵系統(tǒng)是最具成本效益的,如果安裝在建筑施工中,或者當(dāng)一個老的供暖系統(tǒng)需要更換時。購買和安裝地源熱泵,作為一個工作系統(tǒng)的選擇,很少是值得從能源和經(jīng)濟(jì)的角度考慮的14。4.2.2 在歐洲的經(jīng)濟(jì)性趨勢表4說明了歐盟各國家的天然氣和電力價格。該分析假設(shè)所有國家具有穩(wěn)定的熱負(fù)荷且系統(tǒng)有20年的壽命。比較空氣源熱泵、電加熱器、天然氣爐(中、高效率)的成本(包括初始成本)。為簡單起見,初始成本假設(shè)為與加拿大的比較中使用的相同。歐洲的天然氣和電力成本較高,但是高于加拿大的投資花費(fèi)看起來是相對的。在大多數(shù)歐盟國家看來,地源熱泵系統(tǒng)想對于傳統(tǒng)供熱方式更具經(jīng)濟(jì)性,而安裝成本的增高相對于20年的使用壽命來說是微不足道的。在德國、愛爾蘭、盧森堡、西班牙和英國發(fā)現(xiàn),使用高效率的天然氣爐更加經(jīng)濟(jì),這是由于電力的價格要高于可燃?xì)怏w。表2在幾個地點(diǎn)的各種供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)參數(shù)比較供熱系統(tǒng)投資成本($)阿爾伯塔安大略省新斯科舍省年花費(fèi)($)現(xiàn)值($)年花費(fèi)($)現(xiàn)值($)年花費(fèi)($)現(xiàn)值($)地源熱泵空氣源熱泵電熱板天然氣爐a天然氣爐b90004900155015001900601813225712761109210202116046690270202408032844412312344104915560137802617048380228806498772432188516532723027940501904475040460單位為2009年加元。現(xiàn)值指一個20年期間。a代表中間效率。b代表高效率。表3 在幾個地點(diǎn)各種供熱系統(tǒng)的二氧化碳排放量比較供熱系統(tǒng)每年燃料使用(kWh)阿爾伯塔安大略省新斯科舍省排放強(qiáng)度排量排放強(qiáng)度排量排放強(qiáng)度排量地源熱泵空氣源熱泵電熱板天然氣爐a天然氣爐b608082142228028475246551.121.121.120.1900.1906826922225015541046840.1880.1880.1880.1900.190114315444188541046841.041.041.040.1900.190634685732325554104684排放強(qiáng)度單位為(kgCO2/kWh)。排量單位為(kg)。表4歐盟幾個國家天然氣、電力價格,以及與電力相關(guān)的二氧化碳排放量27,28。國家天然氣價格($/kWh)電力價格($/kWh)排放強(qiáng)度國家天然氣價格($/kWh)電力價格($/kWh)排放強(qiáng)度澳洲0.080.270.239拉脫維亞0.050.150.443比利時0.080.280.311立陶宛0.060.170.307賽福斯N/A0.270.974盧森堡0.070.250.307捷克0.070.190.922荷蘭0.100.250.419丹麥0.150.390.680挪威N/AN/A0.015愛沙尼0.050.141.015波蘭0.070.201.108芬蘭N/A0.200.403葡萄牙0.090.240.630法國0.080.180.108斯洛伐克0.060.230.382德國0.080.350.626斯洛尼亞0.090.200.392希臘N/A0.170.882西班牙0.070.260.493匈牙利0.070.220.695瑞典0.120.260.076愛爾蘭0.020.270.706瑞士N/AN/A0.041意大利0.100.270.565英國0.060.210.558歐盟0.080.230.486該研究提供了一個在歐洲國家地源熱泵實(shí)施的一般概述。不同的國家之間,熱負(fù)荷有所差別,這項(xiàng)研究中引入了不同的表達(dá)詞匯。在對供熱要求較低的地區(qū)引入地源熱泵可能不夠經(jīng)濟(jì),因?yàn)榈卦礋岜脵C(jī)組的初始投入是較大的。此外,在氣候較溫暖的地區(qū),通過降低設(shè)備大小能使安裝地源熱泵的初始成本降低。地源熱泵設(shè)備的細(xì)節(jié)問題,要在深入研究分析歐洲特定國家的氣候情況下決定。4.3 二氧化碳排放該評估比較了不同供暖系統(tǒng)的二氧化碳排放量。盡管其它污染物的排放也是不可忽視的,但此處集中考慮二氧化碳的排放,因?yàn)樗亲畛R姷臏厥覛怏w而且被認(rèn)為是影響氣候變化的重要因素18。地源熱泵不直接排放二氧化碳,排放源于生產(chǎn)電力的發(fā)電廠。當(dāng)電力生產(chǎn)過程中二氧化碳的排放較高時,地源熱泵系統(tǒng)排放的二氧化碳也相應(yīng)的增高。地源熱泵是否環(huán)保取決于地源熱泵所使用的電力生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳,它的COP和其它供暖系統(tǒng)的效率25。4.3.1 加拿大二氧化碳排放趨勢加拿大地區(qū)二氧化碳排放情況的確定,考慮了設(shè)備消耗的電量或者天然氣的量和燃料排放強(qiáng)度(每kWh電力生產(chǎn)所產(chǎn)生的二氧化碳)。再次審視前面提到的三個省。假設(shè)天然氣成分是相同的阿爾伯塔省,安大略省和新斯科舍省,每單位氣體消耗時的排放量是固定的。每個省的平均排放強(qiáng)度使用碳監(jiān)測行動(CARMA)在線數(shù)據(jù)庫。不同省份,各種供暖系統(tǒng)的二氧化碳?xì)怏w排放量列于表3。由于安大略省具有新一代低排放設(shè)備,超過50%的電力生產(chǎn)來源于核能,其余部分來源于火力發(fā)電廠和水力發(fā)電廠,應(yīng)用地源熱泵有利于環(huán)保。在阿爾伯塔省和新斯科舍省超過80%的電力生產(chǎn)來自化石燃料,包括煤、天然氣發(fā)電廠16。相對高效率(95%)的天然氣鍋爐,當(dāng)生產(chǎn)每kWh電力的排放強(qiáng)度小于0.76kg時,使用地源熱泵能夠降低二氧化碳排放18。一般情況下,如果地源熱泵使用的電力來源于環(huán)保的生產(chǎn)方式,地源熱泵相對于傳統(tǒng)的電加熱設(shè)備和天然氣燃燒設(shè)備能夠最大程度的降低排放。在電力生產(chǎn)時排放的二氧化碳較多的地區(qū),使用度源熱泵系統(tǒng)所能帶來的減排有限。當(dāng)應(yīng)用可再生能源進(jìn)行發(fā)電時,地源熱泵所產(chǎn)生的二氧化碳排放僅僅來源于運(yùn)行過程,排量很小甚至接近于零??傮w而言,地源熱泵通常提供最大(或近乎最大)的排放量的減少。4.3.2 歐洲二氧化碳排放趨勢表4列出了歐盟不同國家電力生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放強(qiáng)度。使用與電力生產(chǎn)相關(guān)設(shè)施的碳排放門檻,由Dowlatabadi和Hanova確定18為0.76kg/kWh,由表可以看出,所列出的大多數(shù)國家使用地源熱泵取代傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)都能夠取得降低排放的效果。在一個國家內(nèi)使用地源熱泵機(jī)組能顯著減少國家整體的二氧化碳排放量。例如,耦合地面地源熱泵連接當(dāng)前英國電網(wǎng),考慮到英國電網(wǎng)目前的發(fā)電組合,使用地源熱泵系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)能夠降低超過50%的二氧化碳排放15。5 結(jié)論地源熱泵是一種高效的供熱技術(shù),能夠減少二氧化碳的排放量,潛在的避免了化石燃料的燃燒而且具備一定的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。對于加熱特定的建筑空間,相對于其它供熱方式,地源熱泵系統(tǒng)顯著的減少了能源的使用。隨著環(huán)境的變化,地源熱泵系統(tǒng)可以進(jìn)行許多變化,而且在世界大部分地區(qū)適合使用地源熱泵。在選擇供熱模式時,考慮地源熱泵系統(tǒng)是非常重要的,如效率、排放量、經(jīng)濟(jì)性等方面。參考文獻(xiàn)(見原文)附件2:外文原文
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