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2023 11/21

零碳达人立青

来源:碳中和学习与实践

跟我实战超低能耗建筑系列之采暖制冷的能源端选型:热泵技术

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热泵可以把热量从一个地方转移到另一个地方。有些可以将热量泵出或泵入建筑物,用于冷却或加热。空调(或大规模系统的“冷却器”)是一种热泵,只能将热量从建筑物中抽出,但比双向热泵的效率略高。

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小型热泵

热泵对于高效的HVAC系统是重要的,因为移动热量比产生热量使用更少的能量。热发生器的效率永远不会超过100%,因为它们使用的能量直接产生热量,但热泵可以有效地工作,因为它们只是将热量从一个地方转移到另一个地方。但是,基于操作环境,有时锅炉更有效。尤其是在寒冷的室外温度下(低于5°C或40°F)。为了考虑移动热量而不是产生热量,想象一辆油罐车将燃料从一个地方运送到另一个地方-卡车可能运送数千升燃料作为货物,但卡车自己的油箱只能容纳几十加仑,因为这是将货物运送到目的地所需燃烧的所有燃料。同样,热泵将热能作为货物移动,使用一点电能来这样做。

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热泵每单位电能可以输送几个单位的热能

测量效率

    有许多方法可以测量热泵的效率:

(1)COP(性能系数)是最简单的度量。它测量在给定的室外温度下,移动的热能(单位为瓦特)除以移动热能所用的电能(单位也是瓦特)。较高的COP值表明系统效率更高。以100%效率产生热量的电阻加热器将具有COP = 1,而处于加热模式的热泵的COP范围从2到5,处于冷却模式的热泵的COP范围从3到12。

(2)EER(能量效率比)类似于铜,但仅用于冷却。它衡量冷却系统运行的效率。EER最常用于窗单元和较小的独立空调和热泵。EER是在室外温度为95°F(35°C)时,Btu/hr的冷却量除以所用的电力瓦特数的比值。对于温和气候,房间空调的能效比至少应为9.0,对于炎热气候,能效比应超过10.0。

(3)SEER(季节性能效比)测量小型住宅空调或热泵在整个制冷季节的运行效率,与单一室外温度相对照。与EER一样,较高的SEER反映了更高效的冷却系统。SEER是系统在整个季节提供的冷却Btu总量除以消耗的总瓦特小时数的比率。

(4)HSPF(供暖季节性能系数)测量热泵在整个供暖季节以供暖模式运行的效率。除了加热之外,它类似于SEER。HSPF越高,系统效率越高。HSPF的计算方法是将供暖季输送的热量的总Btu数除以输送该热量所需的电力的总瓦特小时数。

(5)千瓦/吨衡量提供的冷却吨数的能量输入,单位为千瓦。与其他指标不同,该比率越低,制冷机的效率越高。这一指标最常用于确定大型冷却器的效率。

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不同热泵效率测量表(来自工程工具箱)

热泵如何工作

热泵的工作原理和冰箱一样——在一个从热端延伸到冷端的刚性管道回路中,气体冷凝成液体,然后再次膨胀。这种移动热量是因为理想气体定律该理论认为,随着压力的增加,温度也会升高;随着压力降低,温度降低。因此,当气体在油管回路的一侧膨胀时,其温度降低,并从周围环境中吸收热量。这就变成了循环的冷端。然后,气体被泵送到回路的另一端,由电动压缩机加压,直到它变成液体。压力的上升使温度升高,因此液体将热量散发到周围环境中。这成为循环的热端。将热量散发出去后,液体通过一个阀门,在回路的另一端再次膨胀成气体,开始循环。

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制冷模式下的热泵循环图

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处于加热模式的热泵循环图

理论上,油管回路的一端在室内,另一端在室外,但实际上,这通常成本很高,而且很难垂直安装,因为回路的“工作流体”是一种挥发性气体。不应该让这些气体逸出,因为它们通常会产生不利的环境影响,如气候变化和臭氧消耗。因此,通常回路的两侧都在热泵单元中,并且“室内”侧接触由管道带到它那里的室内空气,或者接触循环到管道或辐射系统的单独的水回路。

热泵源

1.空气

空气源热泵将它们的废热(或冷却)排放到外部空气中。它们是热泵系统中的绝大多数。对于大型冷却器,将热量排放到外部空气中的装置通常被称为冷却塔。

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用于中型商用HVAC系统的冷却塔

空气源热泵之所以受欢迎,是因为它们最便宜,也最容易安装,因为它们不需要挖掘土壤或大量的管道系统。然而,在寒冷的天气(低于5°C/40°F)为建筑物供暖时,它们会失去效率。

2.土壤

地源热泵(“GSHP”,或“地热的“热泵”将其废热(或冷却)排放到地面,而不是空气中。因为地面全年保持相对稳定的温度,所以在非常热或非常冷的日子里,它们比空气源热泵效率高得多。
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地面温度保持相对稳定,而气温变化很大

所有地源热泵的工作原理都是通过地下管道回路泵送导热流体(通常是水或丙二醇)。“水平”系统通过挖掘浅的(1-3米/ 3-8英尺)来安装管道。深)但是宽的沟,铺设管道的线圈,并且用土覆盖它。“垂直”系统挖掘深而窄的井(通常30-150米/ 100-500英尺。深)。水平系统的安装费用较低,但占地面积较大,而且没有深井那样稳定的地温。
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安装地源热泵的水平(顶部)和垂直(底部)管道系统

地源热泵的缺点是安装它们所需的挖掘和管道费用昂贵。一个中等规模的商业建筑可能需要为GSHP系统挖掘和铺设数百口井。

3.水

一些地源热泵实际上使用河流、池塘或其他水体作为其吸热设备。闭环系统有效地使用与地源热泵相同的硬件和工作方式。
然而,也有可能安装“开环”系统,其管道实际上是通向水流的。这些设备从一端将水引入热泵,在那里热量被注入热泵或从热泵中排出,然后将刚刚加热或冷却的水抽回下游的河流中。这些也可以使用不同井里的地下水,从一个井里抽到另一个井里。

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沉盘管安装水源热泵

水源热泵具有地源热泵的性能优势,并且由于水的高传导性和高热容量,甚至可以表现得更好。根据当地条件,它们的安装成本也较低。然而,它们当然仅限于水体(或隐藏的地下水)方便的地方,以及额外的加热或冷却不会破坏水的生态系统的地方。

吸收式冷却器

吸收式冷却器是热泵,其中工作流体的压缩和蒸发不由电动泵控制,而是由外部热源驱动。
在吸收式制冷机中,气态工作流体被第二种化学物质吸收,例如氨,这使其回到液态。然后,第二种化学物质被热驱走,工作流体作为液体返回到冷却回路。

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吸收式制冷机的双循环

吸收式制冷机的效率比电泵机组低得多(COP约为0.7至1.2),但它们可以在废热。在这些情况下,它们的效率并不重要,因为能源是免费的,使用起来不会对环境造成任何影响。

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