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地源热泵相变地暖可行性及影响因素分析

时间:2012-10-08 17:48来源:中国建筑金属结构协会 作者:admin 点击:
地源热泵相变地暖可行性及影响因素分析 河北工程大学 康利改 王景刚 刘杰 摘要 :基于建设资源节约型、环境友好型社会在工业化、现代化发展战略中的突出位置,本文对地源热泵相变

地源热泵相变地暖可行性及影响因素分析
河北工程大学  康利改 王景刚 刘杰       摘要:基于建设资源节约型、环境友好型社会在工业化、现代化发展战略中的突出位置,本文对地源热泵相变蓄能地板辐射采暖技术与其它供暖方式进行了比较,指出此系统的优点;还将低温热水与电热源两种方式从火用效益方面论证地源热泵低温热水提供热量的可行性,从而构思出一套以生态理念构建的新型能源系统—地源热泵相变蓄能地板辐射采暖系统,并阐述了该系统的结构、工作原理,分析了供水温度、相变温度与相变半径、相变材料的填充量以及盘管间距各因素的影响,指出在注重环保、节能减排、大力开展需求侧管理和调节峰谷电价比的环境下,其推广应用更具竞争力和社会效益。
    关键词:地源热泵  相变材料  地板辐射  影响因素  可行性分析
    引言
   
建筑能耗主要由采暖和空调能耗组成。环境温度和湿度的变化会引起室内温度和湿度发生变化,从而影响人的正常工作和生活以及机器的正常运转。而合理的使用蓄能材料,不仅有助于室内保持需要的温度和湿度,使室内温湿度变化幅度减小,而且可以均衡或者部分消除采暖空调负荷,或将高峰负荷转移到低谷,降低能耗。
    在我国,建筑能耗占总能耗的11.7%,而建筑能耗中的空调能耗高达35%,因此,冰蓄冷系统、地板辐射供热系统、热泵系统、冷媒自然循环系统等节能方案的研究与应用具有重要的经济效益和社会效益。对于供热系统,采用地板辐射采暖室内温度比对流散热形式低2℃,减小了室内外温差,节能11.4%。而热泵又是一种在技术和经济性上都有较大优势的解决供热问题的替代手段,作为一种清洁用能手段,与直接把电能转换为热能的电锅炉相比,采用热泵空调系统的电耗仅为前者的1/3~1/4。本文立足于环保节能的角度,阐述了地源热泵低温热水地板辐射采暖加蓄能技术,并作了相应的可行性分析,提出了地源热泵低温热水地板辐射采暖蓄能技术具有广阔的应用前景。
    1.相变蓄能围护结构的调温机理
   
相变材料在其本身发生相变的过程中,可以吸收环境的热(冷)量,并在需要时向环境放出热(冷)量,从而达到控制周围环境温度的目的。把相变材料与建筑围护结构结合,制成相变蓄能围护结构,用于建筑物室内温度的调控。相变蓄能围护结构可以大大增加围护结构的蓄热作用,使建筑物室内和室外之间的热流波动幅度被减弱、作用时间被延迟[1](见图1),从而提高建筑物的温度自调节能力和改善室内环境,达到节能和舒适的目的。

    图1 相变蓄能围护结构对室内外温度波动的衰减和延迟的示意图
    注:1)室外气温;
    2)室内气温(未使用相变蓄能围护结构);
    3)使用相变蓄能围护结构的室内气温
    2.相变蓄热采暖地板的结构及工作原理
    2.1 相变蓄热采暖地板的结构
    目前地板辐射供暖系统主要推广的有低温热水和电热电缆的低温地板辐射采暖加蓄能。其相变蓄能采暖地板结构见图2,加热盘管直接置于基层的保温层上, 相变材料层填充在加热管周围,其上为地面覆盖层。加热时,热量输送到地板的相变蓄热材料中存储起来,在需要时释放为室内采暖。
    2.2 相变蓄热采暖地板的工作原理

图2 蓄能地暖结构图
    地源热泵低温热水蓄能地板辐射采暖工作原理:利用夜间廉价电由地源热泵系统从地下土壤取热,经电力压缩机对循环工质做功,从而对辐射地板系统提供40~50℃的低温热水,进入地面盘管加热相变材料,使其产生相变,以潜热形式储存热量,白天放出给房间供暖。其工艺流程见图3。

图3 地源热泵地板采暖工艺流程图
    3 .可行性分析
    3.1 地源热泵相变地板采暖优缺点
利用地源热泵低温热水加热相变材料,使其产生相变,以潜热形式储存热量,白天放出给房间供暖。与其他采暖相比,这种采暖方式优点为:
首先,地源热泵系统不直接消耗煤或燃油、天然气等矿物燃料,没有任何直接排放的污染物;其次,高效的地源热泵系统,输出同等量的有用能量,仅仅消耗30-60%的电功率,高效的一次能源利用率,是地源热泵系统环保效果的最直接原因;再次,蓄能地板辐射采暖热效率高,在相同的舒适条件下,室内温度一般比对流方式低2℃-4℃低温传送,而且可直接利用地源热泵提供的40℃-50℃的低温热水,在热媒传输过程中热量损失小。地暖系统提高了室内表面温度,减少了四周表面对人体的冷辐射,提高了舒适感。同时,室内温度自下而上逐渐降低,温度分布比较均匀,温度梯度很小,地面温度高于呼吸区温度,给人以脚暖头凉的感觉;第四,蓄能地板蓄热量大,热稳定性能更好,在间歇供暖的条件下,室内温度变化缓慢。运行费用低于无蓄热供暖方式。最后地板采暖容易布置,较为理想的解决了大跨度空间散热器难以合理布置的问题,而且其运行管理简单省去了锅炉与热水管道的建设、运行管理费用,节省了锅炉房与散热器所占空间,没有供暖收费难的问题。
    相变蓄热与地源热泵结合,在实行峰谷电价的地区,利用夜间低谷廉价电运行,可大大降低采暖的电费开支,并缓解电网峰谷差;充分利用低品位热源,符合我国节能减排的要求等等。
    3.2 各种采暖方式的舒适性与热损失比较
    为了对各种供暖方式做一个相对客观的评价,应当综合考虑各种采暖方式的能耗(热损失)和热舒适性。如果以能耗和最大PPD值最低者的计分为1,能耗每超出10W增加1分,PPD值每超出5%增加1分,各采暖方式的能耗和舒适性计分列于表1,将二者相加,并根据得分的多少排序,得分少的综合排序靠前。可以看出以地板采暖为最优,各类墙上安装的散热器、暖风机和电热吊顶并列第二,窗下安装的采暖设备因为能耗高而排序在后,又以窗下安装的暖风机在最后。该项研究中热损失的具体数值参见《低温辐射供暖与辐射供冷》中地板采暖能耗分析一节[8]。
    3.3 与电热电缆蓄能地板辐射采暖的环境效益比较
    电热电缆蓄能地板辐射采暖中, 设环境温度t0=0℃, 为保持室温t=20℃,需要单位时间用电热装置(如电炉) 向室内供热量为Q,则电能完全转换为热能,单从数量上看,已无节能潜力可挖。若从能量质量方面来分析, 电能的能质系统等于1(即能全部转变为其它形式的能量),而热量Q的能质系统(1-T0/T)仅为0.068,即供能与用能的能质相差0.932。也就是说,电能通过电炉转换为热量后,有93.2%的电火用退化为没有任何作功能力的火无。这种能源浪费不是数量上的,而是能质量作用上的浪费——将高质量能用在低质量能用户上[11]。

表1 各种采暖设备的舒适性综合排序     而对于地源热泵,即是一种利用高位能把不能直接利用的低品位热能(土壤)转换为可以利用的高位热能。仍设环境温度t0=0℃,为保持室温t=20℃,需要单位时间用地源热泵向室内供热量为Q,地源热泵COP=3.3,则需要的电能为Q/3.3,由此可见地源热泵供热不仅在数量上节能,而且从能量的质的方面讲,充分利用了低品位能,节省了高品位的电能。
   
4. 影响因素分析
    1)供水温度的影响
    在相变温度、相变半径、相变材料填充量及盘管间距等其他参数均取定值时,随着供水温度的升高,地板表面温度增加,而且由于冬季地板表面温度比室内温度高,当供水温度升高时,地板表面辐射换热和自然对流换热的温差增大,地板表面平均热流密度增大,相变材料的蓄热时间缩短。但是供水温度不宜过大,否则不仅会造成室内温度波动较大,其相应的能耗也会增加。
    2)相变温度及相变半径的影响
    在供水温度、相变材料填充量及盘管间距等其他参数均取定值时,一般地,相变温度在接近采暖温度时效果最佳。若在此基础上降低相变材料的相变温度,则蓄、放热时间缩短,室温波动增大。反之,随着相变温度的升高,相变层上下表面处于相变区的时间减少,其相变材料不能完全发生相变,从而得不到充分的利用,此时,室内温度波动较大,室内温度发生较大的变化。
相变半径较小时,室内温度变化较为平缓,室内温度的日平均值也较高。随着相变半径的增加,室内温度波动增加,日平均温度也降低,因此应选用较小相变半径的相变材料。
    3)相变材料的填充量的影响
    在供水温度、相变温度、相变半径及盘管间距等其他参数均取定值时,相变蓄能地板的蓄、放热时间随着相变材料填充量的增加而延长。且蓄热结束后,地板表面平均温度也随相变材料填充量的增加而升高。根据实际应用分析得出,一般取相变材料厚度稍大于盘管管径为宜。
    4)盘管间距的影响
    在供水温度、相变温度、相变半径及相变材料填充量等其他参数均取定值时,若盘管间距小,则热流密度增加,从而蓄热时间缩短,但相应的放热时间也短,因此达不到所需的放热量,但随着盘管间距的增加,地面温度降低,热流密度减少,因此对于相变地板辐射采暖,应合理选择符合满足相变材料达到一定蓄热量要求同时又能保证室内温度的盘管间距。
    综上可知,各个因素的变化都会引起热流密度的变化,从而影响蓄、放热时间及其室内地面温度,空间温度的变化,图4模拟了一长宽高分别为6m、3.6m、3m的房间,给出了在不同热流密度时室内地面温度的变化,可以看出随着热流密度的增加,地面温度增加,当热流密度为250W/m2时,部分地面温度超过30℃。据一些国家对地面温度的限制(美国29℃、法国21℃、英国24℃、德国29℃[2])及《简明供热设计手册》中:地板辐射采暖系统中,为保证人的舒适感,其地面温度都有一定的限制,对于经常有人停留的区域,地面温度为26-32℃,因此我们需要综合考虑个因素,使热流密度维持在满足人体热舒适温度的范围内。
    5.结论
    随着人们环保意识和节能意识的不断增强,在暖通空调领域寻求新能源与可再生能源的利用方式正在成为研究的方向。如何有效利用广泛存在的低位热能,节约有限高位热能的热泵技术越来越引起人们的重视。地源热泵低温蓄能地板辐射采暖系统既能高效地使用低品位能源地热能作为热源,具有节能减排的效果,又具有使室内温度均匀、温度梯度小、脚部温度高、卫生条件高、热舒适性好,使用寿命长等特点,因而是一种减少建筑能耗提高热舒适性的理想采暖系统,同时它还受到多个因素的影响,如供、回水温度、盘管间距、相变材料的相变温度、相变半径与填充量,因此对于不同地区、不同的室内设计温度,要综合考虑各个因素,从而取得满足人体热舒适温度的各个不同的值。其可靠性、舒适性与卫生性已经在诸多工程中得到了验证,因此具有广阔的发展前景。
    参考文献
   
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