外文翻譯--節(jié)能技術—空氣熱源泵與地源熱泵中文）

1、<p><b>　　中文4830字</b></p><p>　　出處：Journal of Sustainable Development, 2009, 2(2): P14</p><p>　　節(jié)能技術—空氣熱源泵與地源熱泵</p><p><b>　　吳如群</b></p><p>&l

2、t;b>　　環(huán)境政策辦公室</b></p><p>　　墨爾本大學，土地和環(huán)境學院</p><p>　　維多利亞3010，澳大利亞</p><p>　　電話：61433713541，郵箱：r.wu6@pgrad.unimelb.edu.au</p><p><b>　　摘要 ：</b></p>

3、;<p>　　熱泵是新名詞。它使用“免費能源”——收集土壤中或空氣中的熱能來加熱和冷卻。主要有兩種熱泵——空氣源熱泵和地源熱泵。它們是怎么工作的?每一個系統(tǒng)有什么特點?他們如何比較呢?首先,類似這樣的問題“什么是熱泵系統(tǒng),它如何工作,什么是空氣源熱泵，什么是地源熱泵”會得到回應。然后從技術參數到社會、實用、經濟參數來詳細的比較地源熱泵和空氣源熱泵。最后,總結這些參數來決定哪一種熱泵就會在不同條件下更優(yōu)越。</p>

4、;<p>　　關鍵詞：熱泵、能效、空氣源熱泵、地源熱泵</p><p><b>　　命名：</b></p><p>　　Qe: 冷凝放熱量率,kJ s-1</p><p>　　Qc: 濃縮心率,kJ s-1</p><p>　　W: 壓縮機輸入能量，kw</p><p><b&

5、gt;　　COP: 制冷系數</b></p><p>　　˙m:質量流量，kg s-1</p><p>　　h:焓，kJ kg-1</p><p>　　˙Q: 傳熱速率，kg s-1</p><p>　　Uc/e Ac/e: 綜合傳熱系數對凝汽器或蒸發(fā)器, kW oC-1</p><p>　　K: 恒量，等

6、同于Ue Ae / Uc Ac.</p><p>　　Tc: 寒冷地區(qū)溫度（熱源）, ℃</p><p>　　Th: 溫暖地區(qū)溫度（散熱器），℃</p><p>　　Tre: 蒸發(fā)器內制冷劑溫度，℃</p><p>　　Trc: 冷凝器內制冷劑溫度，℃</p><p>　　Teout：蒸發(fā)器液體出口溫度，℃</p

7、><p>　　Tcout: 冷卻器流體出口溫度，℃</p><p><b>　　簡介</b></p><p>　　物理定律告訴我們熱量通常從熱的一方傳到冷的一方。但我們能夠在夏天將熱量從我們涼爽的房屋轉移到比它熱的室外環(huán)境中呢？還有我們如何能夠在冬天從寒冷的室外提取熱量到溫暖的室內呢？如果我們使用熱泵，答案是肯定的,。熱泵這樣工作的----在耗能的

8、形式下通過本質的“抽”來加熱溫度,將其從冰冷的一方下傳到一個更暖和的一方，通常是以電力的形式。最常見的熱泵是空氣源熱泵，用來傳遞室內和室外空氣之間的熱能。地源熱泵（GSHPs) 在20世紀40年代末已經開始使用,他們用這些恒溫的地表作為交換媒介代替室外空氣溫度。</p><p><b>　　2、 背景</b></p><p><b>　　2.1 熱泵<

9、/b></p><p>　　熱泵(蒸氣壓縮熱泵)通過循環(huán)流動相變物質傳熱,而這種被稱為制冷劑的物質是通過蒸發(fā)和冷凝一個周期來實現的（圖1）。一個壓縮泵的制冷劑在兩個換熱器盤管中。在第一個盤管中,制冷劑在低壓下蒸發(fā)并吸收高溫熱源熱量，在去往另一個盤管的途中被壓縮。在那里形成高壓環(huán)境。在這個時候，它就會釋放熱量到初期周期的熱量收集槽(NRCOEE,2004,p.4).　　</p><p>

10、;　?。▓D1. 基本氣體壓縮循環(huán)）</p><p>　　資料來源:NRCOEE(自然資源-能源效率加拿大辦公室),2004年,第610、620頁</p><p>　　2.2 能源平衡和熱泵的效率</p><p>　　來源于熱力學定律,熱泵系統(tǒng)的能量平衡關系式是:</p><p>　　Qc = Qe + W　　

11、 ①</p><p>　　Qe是蒸發(fā)器的熱吸收速率;</p><p>　　Qc是冷凝器釋放出的熱量（圖1）</p><p>　　蒸汽壓縮制冷循環(huán)的操作溫度是確立在寒冷地區(qū)的Tc溫度和溫暖地區(qū)排出的Tc溫度。蒸發(fā)器的制冷溫度必須小于Tc溫度，并且冷凝器的制冷溫度必須高于Th溫度來實現熱傳遞（圖2）。</p><

12、;p>　　圖2a、蒸汽---壓縮制冷循環(huán)T-S圖</p><p>　　資料來源：Queen 大學實驗室，2007年</p><p>　　圖2b、蒸汽---壓縮制冷循環(huán)P-h圖</p><p>　　資料來源：拉德馬特，2005年</p><p>　　當流體通過蒸發(fā)器和冷凝器時，它們是兩種熱交換器用來交換制冷劑跟周圍流體的熱量。而熱量從制冷

13、劑到冷凝器中周圍流體的傳遞速率</p><p>　　˙Q = ˙m *Δ h = U AΘLMT ②</p><p>　　這里的m是制冷劑的質量流率；Δ h是制冷劑的焓變；U被叫做全部的熱傳遞系數；A是分離流體通過的熱傳遞的表面積；ΘLMT是兩流體溫度的平均差。</p><p>　　這個典

14、型的參數被用來描述一個熱泵的性能，就是性能系數（COP）。它就是傳遞給散熱器的熱量（有效輸出功）與驅動壓縮機的工作量（全部輸入功）的壓縮比。（雷諾方程，1997年，pp287-299）</p><p>　　COP =Qc/W=Qc/（Qc –Qe）=1/（1-Qe / Qc） ③</p><p><b>　　3、空氣源熱泵<

15、/b></p><p>　　當今空氣源熱泵是最為廣泛使用的熱泵，環(huán)境空氣是自由免費的也是廣泛的。對熱泵來說它是最普遍的熱源。</p><p>　　在空氣---空氣熱泵系統(tǒng)中，熱量從室內空氣中移出，然后傳到室外在冷卻循環(huán)中，而反方向就是在進行熱循環(huán)（圖3）。</p><p>　　圖3、ASHP – 分系統(tǒng)</p><p>　　資料來源:E

16、ERE(能源效率和可再生能源),2008a</p><p>　　申請，ASHP是典型的屋頂單元不論是完全包裝過的還是分裂包裝過的系統(tǒng)。分裂包裝熱泵設計有一個空氣處理單元位于空氣調節(jié)房間內，而冷凝器和壓縮機被包裝稱為戶外裝置在屋頂上。包裝系統(tǒng)通常包括盤管和室外風扇。冷空氣或是熱空氣通過管道系統(tǒng)被轉到內部在那突出穿過一堵墻或是屋頂（EERE,2008）。</p><p>　　事實上,空氣源熱泵

17、的容量與性能會隨環(huán)境溫度減小而迅速減少在加熱時的季節(jié),還有在寒冷季節(jié)會增加環(huán)境溫度。尤其是在延長低于結冰溫度以下的時間里,空氣源溫度降到4℃以下時蒸發(fā)器就有可能因結冰而性能下降（Lu Aye,2003)。</p><p>　　盡管如此,比起傳統(tǒng)加熱方式,ASHP還有下列好處:</p><p>　　— 典型地約吸收三分之一到四分之一的一個標準電加熱的電量為同一數額加熱,相應的減少了費用單

18、與溫室氣體的排放(HyperPhysics 2005)。</p><p>　　— 一個ASHP的標準COP的200%-400% 相當與100%的一個阻力加熱器和70-95%燃料動力鍋爐(Hyper Physics 2005)。</p><p>　　— 作為一個電力系統(tǒng),沒有易燃或潛在窒息燃料是用在加熱上的,減少了對使用者的潛在的危險,并且移除需要得到的氣體或燃料供應除了電(Hype

19、rPhysics 2005)。</p><p><b>　　4. 地源熱泵</b></p><p>　　就像其它的熱泵一樣，地源熱泵可以供熱制冷房間。盡管公眾認為它的有利技術很低,但事實上GSHPs已經在商業(yè)方面使用了超過50年。第一個成功的GHPs事例發(fā)生在1946年,聯邦建筑在美國俄勒岡州波特蘭市(Stuebi 2000)。</p><p>

20、;　　4.1 GHPs系統(tǒng)的組成</p><p><b>　　—地表連接</b></p><p>　　地表連接傳遞熱能進、出地面或水體。它常常形成了一個戶外熱交換器。這是一個盤管或管道攜帶水、防凍液混合物,或者其他的載熱流體。它也許會被葬在土壤里,在這種情況下,它被稱為地面耦合系統(tǒng)或掩埋在湖或池塘里,在這種情況下,它被稱為地表水處理系統(tǒng)(自然資源加拿大、2008)。&

21、lt;/p><p><b>　　—熱泵</b></p><p>　　這是GSHP系統(tǒng)的心臟，它們的運轉原則與傳統(tǒng)的熱泵是一樣的。所有的熱泵部件被典型的封裝在一個單一的外殼內，它包括地面連接制冷熱交換器、壓縮機、控制器、風扇、空氣過濾器、空氣處理器和制冷空氣熱交換器(NRC,2008)。</p><p>　　—室內加熱或冷卻分布系統(tǒng):</p&g

22、t;<p>　　分布系統(tǒng)的作用是將冷量或熱量分布在房間內。GSHP系統(tǒng)典型地使用傳統(tǒng)的管道系統(tǒng)分配熱或冷空氣并提供濕度控制（NRC,2008)。</p><p>　　4.2 地面熱源系統(tǒng)的類型</p><p>　　GSHPs有很多種分類方式。根據“熱源/池”，它們分為地面和水里。當它使用地面作為“熱源/池”時，地面連接可以是水平的也可以是垂直的，并且它們都是封閉式的。當它使用

23、水作為“熱源/池”時，它就分為閉式環(huán)路和開式環(huán)路（圖4）。</p><p>　　—水平式（閉式環(huán)路）</p><p>　　這種安裝形式對于住宅設備而言是最劃算的，特別是對于那種有充分的土地供利用的新建工程(EERE,2008b)。它要求至少開挖四英尺深(EERE,2008b)。</p><p>　　—垂直式（閉式環(huán)路）</p><p>　　當

24、土地面積不能實現水平循環(huán)或者土壤中有太多巖石不好挖溝時，這時就可以使用垂直系統(tǒng)。它們被廣泛應用于大型建筑。雖然它需要較少的表面,但它比水平系統(tǒng)要開挖的更深的多（NRC,2008）。</p><p>　　—湖泊/池塘（閉式環(huán)路）</p><p>　　一個閉式的池塘環(huán)路是不普遍的，它使用水作為“熱源/池”(NRC,2008)，如果地理位置有充足的水源，它可能是最低成本的選擇（EERE,2008

25、）。</p><p>　　—開式系統(tǒng)（開式環(huán)路）</p><p>　　一個開式系統(tǒng)直接從一個良好的湖泊或者池塘中抽水，水從這其中一個來源中抽到熱泵里。在那兒熱量是萃取的或是附加的，并且水會被抽回地面或是水源 (SEW(Shanky Engineering Works),2008)。這種類型是第一次出現在市場上，是最簡單的安裝，并且成功應用數十年之久（NRC,2008）.然而，環(huán)境規(guī)定和水資

26、源的不充足導致這種做法在很多地區(qū)受到限制（NRC,2008）.</p><p>　　圖4、地源熱泵系統(tǒng)的類型</p><p>　　資料來源： EERE 2008b</p><p><b>　　5、比較</b></p><p><b>　　5.1 效率</b></p><p>

27、　　從方程式②中，Qe/Qc =（Ue Ae ΘLMTe）/（c Ac ΘLMTc）</p><p>　　簡化來看，ΘLMT可以用(ΔTin+ΔTout)/2取代，ΔTin是入口溫差，ΔTout是出口溫差（圖5和圖6）。</p><p><b>　　圖5、冷凝器傳熱</b></p><p><b>　　圖6、蒸發(fā)器傳熱</b&g

28、t;</p><p>　　假設制冷溫度在冷凝器和蒸發(fā)器中是恒量，Tc是蒸發(fā)器的入口流體溫度，在冷凝器的是Th</p><p><b>　?、?lt;/b></p><p>　　Tc是寒冷區(qū)域的溫度(熱源)。Th是溫暖區(qū)域的溫度（散熱器）。Tre是蒸發(fā)器的制冷溫度。Trc是冷凝器的制冷溫度。Teout是蒸發(fā)器流體出口溫度，Tcour是冷凝器流體出口溫度

29、。K是恒量，等同于Ue Ae / Uc Ac.</p><p>　　在冬季將ASHP和GSHP作個比較，人們認為除了Tc，ASHP和GSHP的其他參數都相等。</p><p>　　GSHP的Tc比ASHP高因為地面有阻尼效應影響溫降（見附件1）。那么運用方程④，我們可以發(fā)現GSHP的Qe/Qc比ASHP的高。還有通過方程③，我們可以看到COP與Qe/Qc是直接成比例的。那么，GSHP比AS

30、HP的性能要高。</p><p>　　此外，GSHP的垂直配置中的熱交換器被埋在土壤里更深，在那我們能發(fā)現溫度在一年當中更恒定。相反地，水平結構的熱交換器接近地表，所以會受大氣溫度影響。其結果是，垂直交換器允許熱泵經營效果最好。</p><p><b>　　5.2設計準則</b></p><p>　　—工程前期的研究（可行性研究）</p&

31、gt;<p>　　ASHPs不承擔任何民事地面安裝工程和臥管道。</p><p>　　GSHPs需要調查研究土壤或地表水的條件，這是一個重要的可行性研究。對于地面耦合系統(tǒng)，土壤條件將不僅影響到鉆孔和鑿深的可行性，而且還影響到接地的性能。類似地，地下水的可利用量，還有使用規(guī)定，將決定地下水連接的可行性。</p><p>　　但是對于GSHPs，建筑設計師有較大的靈活性。建筑師不

32、面臨不顯眼的HVAC設備的前景在屋頂上，結果是使用了大量的屋頂設計（包括傾斜屋頂）。</p><p><b>　　—施工難度指數</b></p><p>　　對于ASHPs，安裝非常容易，但對于GSHPs，在安裝以后一個GSHPs的地面連接就難以到達，還有材料和技術都是最高質量，在某些情況下會阻止GSHPs的應用。</p><p><b&

33、gt;　　5.3成本</b></p><p><b>　　—安裝成本</b></p><p>　　ASHPs比GSHPs的安裝成本低的多（見附錄2），對于不同的GSHPs，成本都不同（見附錄2）。</p><p><b>　　—運行成本</b></p><p>　　因為GSHPs的高性能

34、和高制冷和供熱能力，GSHPs可以減低業(yè)主的運行成本通過明顯地降低能量消耗（附錄3）。</p><p><b>　　—維修費用</b></p><p>　　GSHPs有穩(wěn)固的地質環(huán)境，不會受到像積雪和冰雹、臺風等自然氣候的影響，然而ASHPs極易受到外環(huán)境影響，而且要求維修費用更高。</p><p><b>　　—壽命周期成本<

35、/b></p><p>　　總體來說，GSHPs的周期壽命成本比ASHPs的要低得多（附錄4）。</p><p><b>　　5.4 環(huán)境</b></p><p>　　有關環(huán)境方面，GSHP代表一種優(yōu)秀的替代物在很多方面。比較空氣源系統(tǒng)較低的冷凍費用和減少泄漏是兩方面優(yōu)勢，它們分享這些系統(tǒng)（Phetteplace 2007)，然后它們使用

36、更少的能源，排放更少的二氧化碳和二氧化硫，氮化合物排放物（見附錄4）。但是GSHPs會干擾到地面當地面耦合系統(tǒng)在運行時，還有當水源/池在運行時，會產生水污染問題。</p><p><b>　　5.5 可靠性</b></p><p>　　ASHP的預期使用壽命是15年(EERE (2001) p.3).華盛頓大學的Gordon Bloomquist博士說ASHP裝置要追

37、溯到20世紀50年代中期“是給建筑擁有者提供高水平服務”，并且表明“25-30年的系統(tǒng)可靠性是可達到的如果日常維修步伐跟得上”（Stuebi 2000)。</p><p>　　總之，比較和不同類型的ASHPs 、GSHPs如下：</p><p>　　表格1、比較ASHPS和不同的類型的GSHPs</p><p>　　注解：“’√”越多，意味著性能越高，越可行，越困難

38、，費用越多，越耐用，越受限，越美觀，安靜，更舒適，更安全。</p><p><b>　　6.總結</b></p><p>　　通過詳細的比較ASHP和GSHP,我們可以看到GSHP比ASHP的優(yōu)勢要多從下列方面：更高效應；更低壽命周期成本；對環(huán)境影響更低；更高可靠性和其他實際的便利。</p><p>　　GSHP是被推薦公認的一種優(yōu)先選擇對于新

39、建建筑。特別是對于大型建筑使預付費用對于業(yè)主不會構成壓力并且可利用好的合格的施工隊；當地的氣候顯示大的季節(jié)變化溫度;對于可行的土壤或水質條件。</p><p>　　盡管如此，ASHP是合適的如果顧客對于成本效益標準是短期回收成本，當地氣候溫和，或者地表連接困難。</p><p>　　最后但不是最重要的，不論是空氣源熱泵還是地源熱泵，它們更有效率，更環(huán)保比起傳統(tǒng)的供熱制冷系統(tǒng)，還有目前的趨勢

40、，隨著全球關注氣候變化還有能源資源的消耗，熱泵最潛在的綠色技術之一。</p><p><b>　　參考文獻：（略）</b></p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　附錄1 土壤溫度</b></p><p>　　下面這幅圖表明土壤溫度記錄的Ft. P

41、olk,La.指揮的熱泵示范工程（Phetteplace 2002).它清楚的表明一年周期中土壤溫度沒有發(fā)生顯著變化在深度為約1.8米以下時（6英尺）。</p><p>　　附錄2 安裝費用比較</p><p>　　正如下面描述，GSHP比ASHP的安裝費用更高（US4,430$），垂直式的最高（US$8,997）。</p><p>　　按類型GSHP總的安裝費用

42、 GSHP的平均回路成本 </p><p>　　資料來源：(Kreith and Goswami 2007)</p><p>　　附錄3 運行成本費用比較</p><p>　　案例研究1：下面的數據來源美國的三個氣候非常不同的地方。單位是年度千瓦時（KWh）,不同系統(tǒng)形式傳統(tǒng)消費，空氣源熱泵（ASHP），單一的可變速率（v.s.）,還有地溫

43、和土地資源，熱泵（GHP），標準的高效性能 (Consumers' Research Magazine, 1999)。</p><p>　　資料來源: (Consumers' Research Magazine, 1999)</p><p>　　附錄4 壽命周期分析</p><p>　　案例研究2：工程師表明對于一個內布拉斯加州的新建小學一個20年周