热泵, 就象水泵能把低位水提升到高位一样可以把热从低温端传送到高温端。它是一种可以实现蒸发器与冷凝器之间功能转换的机械, 实质上是另一种形式是制冷机, 目前在冬季空调以及热水供应中被广泛采用。热泵是以大地或水体为热源对建筑物进行空调、供暖和热水供应的技术。众所周知, 地层之下一年四季均保持一个相对稳定的温度。在夏季, 地下的温度要比地面空气温度低, 在冬季却比地面空气温度高。热泵正是利用大地的这个特点, 通过埋藏在地下的换热器, 与土壤或水体交换热量。热泵全年运行工况稳定, 不需要其它辅助热源及冷却设备即可实现冬季供热、夏季供冷。在冬天, 管道内的液体将地下的热量抽出, 然后通过系统导入建筑物内, 同时蓄存冷量, 以备夏用;在夏天, 热量从建建筑物内抽出, 通过系统排入地下, 同时蓄存热量, 以备冬用。末端系统将冷暖空气分别送到建筑物内部的各个区间, 类似于一般的空调系统。热泵一年四季均能可靠的提供高品质的冷暖空气, 为我们营造一个非常舒适的室内环境。
热泵系统按其循环形式可分为:闭式循环系统、开式循环系统和混合循环系统。对于闭式循环系统, 大部分地下换热器是封闭循环, 所用管道为高密度聚乙烯管。管道可以通过竖井埋入地下150~200英尺深, 或水平埋入地下4~6英尺处, 也可以置池塘的底部。在冬天, 管中的流体从地下抽取热量, 带入建筑物中, 而在夏天则是将建筑物内的热能通过管道送入地下储存;对于开式循环系统, 其管道中的水来自湖泊、河流或者竖井之中的水源, 在以与闭式循环相同的方式与建筑物交换热量之后, 水流回到原来的地方或者排放到其它的合适地点;对于混合循环系统, 地下换热器一般按热负荷来计算, 夏天所需的额外的冷负荷由常规的冷却塔来提供。
热泵技术目前在国外得到广泛的应用。在美国, 许多家庭、银行、医院、机场、连锁旅客、超市、办公楼和学校等均有一定比例的建筑使用热泵, 每年约安装5万套地源热泵系统每年减少200万t温室气体的排放。美国国家环保局认为热泵的效率在加热和冷却设备中居于前列。
目前我国也有多家研究机构及厂家对热泵技术进行了研究和生产, 也有部分工程在城市中运行, 但由于受城市规划限制推广不利, 而在农村人们对这项技术知之甚少, 巨大的经济效益、环境效益没有得到充分利用, 这是一个非常值得关注的问题。因此我们有必要对热泵在技术、经济等各方面进行深入介绍。
热泵技术主要分为地源热泵和水源热泵两种, 地源是从地下取热, 水源既可从地下取热也可从其它工业废热中提取热量。热泵实际上是一项非常古老的技术, 上世纪四十年代便有应用, 只是近年来随着相关技术的发展, 使其迅速商业化。20世纪50年代欧洲出现了利用热泵的第一次高潮。在此期间, Ingersoll和Plass根据Kelvin线源概念提出了地下埋管换热器的线热源理论, 但当时由于能源价格低, 系统造价高, 没有得到广泛应用。70年代, 石油危机把人们的注意力集中到节能、高效益使用能源, 使热泵的发展进入了高潮阶段, 此时地下埋管已由早期的金属管改为塑料管。这个时期欧洲建立了不少水平埋管换热器的热泵, 但主要用于冬季供暖。80年代初开始, 美国、加拿大开展了冷暖联供热泵方面的研究工作, 不少文献报道了热泵不同形式地下埋管换热器的传热过程及模型, 并有部分工程的运行总结和性能比较。
美国能源部 (DOE) 和美国环境保护署 (EPA) 均已确认, 热泵系统是目前效率最高、对环境最有利的热水、取暖和制冷系统。一方面它利用地下土壤或水体的相对稳定温度使取暖和空调系统在全年都能维持高效运行, 为热泵用户节省电费20~50%, 另一方面, 在同等条件下, 采用了热泵系统的建筑物能够减少维护费用。热泵系统非常耐用, 它的机械运动部件非常少, 所有的部件不是埋在地下便是安装在室内, 从而避免了室外的恶劣气候, 其地下部分可保证30年, 地上部分可保证15年, 因此热泵是免维护空调, 节省了维护费用, 使用户的投资在三年左右即可回收。调查表明, 不同的供冷方式:热泵系统、带有热水锅炉的空气冷却器、带有热水锅炉的水冷却器、带有蒸汽锅炉的水冷却器。热泵系统的运行费用相对于其它空调系统来说是相当低的。
另外, 热泵系统所使用的制冷剂也是在工厂里注入并被完全密封, 使用过程中基本无泄漏, 用户不必添补制冷剂。该系统可在不同结构、不同面积的建筑上使用, 可在新建筑施工时安装, 也可用在旧建筑改造时安装, 系统还可根据现场条件结合水源进行选择组合, 非常灵活多样。
随着改革开放的不断深入, 人们生活水平的不断提高, 持续的高速经济增长导致人们对舒适生活的追求, 从而使热泵这项实用技术在我国具有巨大的市场潜力。同时我们也要注意到, 广大农村的城镇化建设随着建设社会主义新农村的政策逐步落实, 步伐将逐渐加快。而在建设之前规划好能源的综合利用, 如建设沼气系统、热泵系统是有很好条件的。新建筑并入集中的燃料系统和热泵系统, 其成本要远远低于旧建筑的改造, 这对我们这个“严寒”与“寒冷”采暖几乎占了国土面积的70%和全国总建筑面积的50%的国家而言, 节省的费用是巨大的。另外由于农村人工费用比较低, 又加上政策扶持, 其基建费用必然低。使得初期投资费用少。
随着人们生活水平的提高, 对生活质量的要求越来越高, 环保意识增强, 人们开始认识到高品质的空气是人类健康的保障。目前居民对空气污染的关注程度越来越高, 在碰到身体不适的时候, 很多居民开始考虑空气因素的影响。据统计, 世界大气污染最严重的10座城市空气质量不容乐观, 加强空气治理, 已经到了刻不容缓的时候。目前虽然大多数农村人口还没有来得及思考环境问题, 但随着城镇化进程加快, 空气污染的矛盾迟早会突现出来。如果提前考虑使用清洁能源, 如沼气、热泵等, 将会大大减少由于燃煤或木材所带来的环境污染和生态破坏问题。
为了彻底整治环境, 减少温室气体排放, 我国政府正在改变以煤为主的能源结构, 以实现可持续发展战略。北京上海等大城市已较早地实施了以电代煤或以气代煤方案, 为奥运会的召开作出了应有贡献。由于电力是热泵的唯一动力, 因此没有燃料分散燃烧所造成的大气污染。与此同时由于厂家密封制剂, 使用过程中不泄露, 不补充, 减少了对臭氧层的破坏。由此可见, 这项技术的应用对我国改善城市或乡村的空气污染将起到积极作用。
进入新世纪, 在生产力高速发展的条件下, 人们越来越认识到地球上的资源和能源日益匮乏。我国能源短缺是一个不争的事实, 与此同时, 我国又存在能源利用率低的矛盾。据统计, 我国总的能源利用率约为30%, 这仅相当于发达国家50年代的水平。我国建筑耗能约占总耗能的25%, 其中供热采暖能耗约占一半。能源短缺导致中国的能源价格越来越接近发达国家的水平。我国要在能源每年增长率仅为3~5%的条件下满足国民经济持续每年增长8~9%, 就必须重视节能技术和节能产品的开发利用。由于农村人口众多, 取暖负荷较大, 这决定了我国必须在新农村建设中在取暖这一耗能大项上有所改进。就热泵技术而言, 由于热泵仅仅用来传输热量, 而不是产生热量, 所需要的热量有70%来自地下, 夏天制冷时, 用来将建筑物中的热量传入地下所消耗的电力也非常少, 因此热泵这项节能技术应用于广大农村, 可以在一定程度上缓解我国的能源压力。
为了减少我国由于冬季采暖所造成的大气污染, 减低国内现有制冷空调的能源消耗, 寻求新的低能耗、无污染的供暖制冷空调技术, 国家科技部与美国能源部分别代表两国政府签署了中美两国政府地源热泵合作协议, 引进和推广美国先进的地源热泵技术。这对热泵技术在中国的推广起到巨大的推动作用。
八届人大常委会第二十八次会议审议并通过了《中华人民共和国节约能源法》, 其中第三十九条将热电冷联产技术列入国家鼓励发展的通用技术, 这也将促进热泵事业的发展。自从我国实施《民用建筑节能设计标准》后, 提高了建筑隔热保温性能, 降低了建筑采暖能耗, 结果是大幅度降低了热泵采暖方式的年运行费用, 增加了热泵与集中供热采暖方式的竞争能力。
任何一项新事物的出现总是要受到人们的质疑, 对于热泵这项技术同样可能会遇到一些阻力。首先, 我国有关热泵的现成技术资料不多, 这方面的设计、安装和维护等技术人员也较少, 基本上在城市服务, 很少有人想到农村。同时, 由于生产热泵相关设备的厂家少, 人们对它还比较陌生, 相对单元机来讲价格较高, 这种情形不利于这项技术的推广。其次, 我国现在还没有出台促进热泵技术开展的相关优惠政策, 这使部分想采用热泵系统的用户由于看不到眼前利益而采用其它的空调系统。为了鼓励农村采用热泵系统, 可以将其纳入基础设施建设中, 费用由政府代交。也可在先期规划中提供鼓励性补贴和资助给购买热泵系统的用户, 或者采用调整能源价格的方法, 使能源价格合理化, 给用户一些实惠, 鼓励人们采用热泵系统。
还要说明的一点是, 热泵技术比较发达的北美、北欧、和中欧国家由于气候条件限制基本上用于供热, 对热泵夏季制冷工况研究较少。而我国辐员辽阔, 地处温带, 冬季需供暖, 夏季需供冷, 而且南北地区气象条件差异很大, 同样的建筑在不同的地区, 其负荷情况可能迥然不同。因此, 我们不能照搬外国的技术成果, 必须投入大量的科研经费和研究人员进行研究, 使其适合中国气候特点、经济特点。这也在一定程度上延缓了该项技术发展。
在我们社会主义新农村建设中, 热泵技术能够减少能量消耗, 降低环境污染, 并具有可持续性和经济性将得到进一步的发展。虽然这项技术在目前还局限于城市, 但由于其独特的优势, 必将引起广大农村带头人、开发商、科技人员以及政府部门的高度关注。有理由相信热泵技术在我国广大农村的新一轮建设中有广阔的市场前景。
摘要：热泵技术是一项空调、供暖和热水供应技术。本文介绍了地源水源热泵技术在国外的推广应用情况, 根据我国农村实际情况就初期投资、能源、环境保护和国家政策的影响等方面分析了这项技术在农村的发展优势以及在推广过程可能遇到的问题, 指出该项技术在广大新农村建设中具有广阔的应用前景。
关键词：热泵,空调,节能,环保,新农村
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