外文翻譯--節(jié)能技術(shù)—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(shù)—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(xué)，土地和環(huán)境學(xué)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(fèi)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(gè)系統(tǒng)有什么特點(diǎn)?他們?nèi)绾伪容^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(huì)得到回應(yīng)。然后從技術(shù)參數(shù)到社會(huì)、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)參數(shù)來詳細(xì)的比較地源熱泵和空氣源熱泵。最后,總結(jié)這些參數(shù)來決定哪一種熱泵就會(huì)在不同條件下更優(yōu)越。</p>

4、;<p>　　關(guān)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(jī)輸入能量，kw</p><p><b&

5、gt;　　COP: 制冷系數(shù)</b></p><p>　　˙m:質(zhì)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(shù)對(duì)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(nèi)制冷劑溫度，℃</p><p>　　Trc: 冷凝器內(nèi)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(jiǎn)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(zhuǎn)移到比它熱的室外環(huán)境中呢？還有我們?nèi)绾文軌蛟诙鞆暮涞氖彝馓崛崃康綔嘏氖覂?nèi)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(zhì)的“抽”來加熱溫度,將其從冰冷的一方下傳到一個(gè)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(nèi)和室外空氣之間的熱能。地源熱泵（GSHPs) 在20世紀(jì)40年代末已經(jīng)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(dòng)相變物質(zhì)傳熱,而這種被稱為制冷劑的物質(zhì)是通過蒸發(fā)和冷凝一個(gè)周期來實(shí)現(xiàn)的（圖1）。一個(gè)壓縮泵的制冷劑在兩個(gè)換熱器盤管中。在第一個(gè)盤管中,制冷劑在低壓下蒸發(fā)并吸收高溫?zé)嵩礋崃?，在去往另一個(gè)盤管的途中被壓縮。在那里形成高壓環(huán)境。在這個(gè)時(shí)候，它就會(huì)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(xué)定律,熱泵系統(tǒng)的能量平衡關(guān)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(shí)現(xiàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)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(dāng)流體通過蒸發(fā)器和冷凝器時(shí)，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(zhì)量流率；Δ h是制冷劑的焓變；U被叫做全部的熱傳遞系數(shù)；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(gè)典

14、型的參數(shù)被用來描述一個(gè)熱泵的性能，就是性能系數(shù)（COP）。它就是傳遞給散熱器的熱量（有效輸出功）與驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)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(dāng)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(fèi)的也是廣泛的。對(duì)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(nèi)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(jìn)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(qǐng)，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(shè)計(jì)有一個(gè)空氣處理單元位于空氣調(diào)節(jié)房間內(nèi)，而冷凝器和壓縮機(jī)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(fēng)扇。冷空氣或是熱空氣通過管道系統(tǒng)被轉(zhuǎn)到內(nèi)部在那突出穿過一堵墻或是屋頂（EERE,2008）。</p><p>　　事實(shí)上,空氣源熱泵

17、的容量與性能會(huì)隨環(huán)境溫度減小而迅速減少在加熱時(shí)的季節(jié),還有在寒冷季節(jié)會(huì)增加環(huán)境溫度。尤其是在延長(zhǎng)低于結(jié)冰溫度以下的時(shí)間里,空氣源溫度降到4℃以下時(shí)蒸發(fā)器就有可能因結(jié)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)電加熱的電量為同一數(shù)額加熱,相應(yīng)的減少了費(fèi)用單

18、與溫室氣體的排放(HyperPhysics 2005)。</p><p>　　— 一個(gè)ASHP的標(biāo)準(zhǔn)COP的200%-400% 相當(dāng)與100%的一個(gè)阻力加熱器和70-95%燃料動(dòng)力鍋爐(Hyper Physics 2005)。</p><p>　　— 作為一個(gè)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(duì)使用者的潛在的危險(xiǎn),并且移除需要得到的氣體或燃料供應(yīng)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(rèn)為它的有利技術(shù)很低,但事實(shí)上GSHPs已經(jīng)在商業(yè)方面使用了超過50年。第一個(gè)成功的GHPs事例發(fā)生在1946年,聯(lián)邦建筑在美國(guó)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(jìn)、出地面或水體。它常常形成了一個(gè)戶外熱交換器。這是一個(gè)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(huì)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(yùn)轉(zhuǎn)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(gè)單一的外殼內(nèi)，它包括地面連接制冷熱交換器、壓縮機(jī)、控制器、風(fēng)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(nèi)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(nèi)。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(jù)“熱源/池”，它們分為地面和水里。當(dāng)它使用地面作為“熱源/池”時(shí)，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(dāng)它使用

23、水作為“熱源/池”時(shí)，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(duì)于住宅設(shè)備而言是最劃算的，特別是對(duì)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(dāng)

24、土地面積不能實(shí)現(xiàn)水平循環(huán)或者土壤中有太多巖石不好挖溝時(shí)，這時(shí)就可以使用垂直系統(tǒng)。它們被廣泛應(yīng)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(gè)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(gè)開式系統(tǒng)直接從一個(gè)良好的湖泊或者池塘中抽水，水從這其中一個(gè)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(huì)被抽回地面或是水源 (SEW(Shanky Engineering Works),2008)。這種類型是第一次出現(xiàn)在市場(chǎng)上，是最簡(jiǎn)單的安裝，并且成功應(yīng)用數(shù)十年之久（NRC,2008）.然而，環(huán)境規(guī)定和水資

26、源的不充足導(dǎo)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(jiǎn)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(shè)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(gè)比較，人們認(rèn)為除了Tc，ASHP和GSHP的其他參數(shù)都相等。</p><p>　　GSHP的Tc比ASHP高因?yàn)榈孛嬗凶枘嵝?yīng)影響溫降（見附件1）。那么運(yùn)用方程④，我們可以發(fā)現(xiàn)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(xiàn)溫度在一年當(dāng)中更恒定。相反地，水平結(jié)構(gòu)的熱交換器接近地表，所以會(huì)受大氣溫度影響。其結(jié)果是，垂直交換器允許熱泵經(jīng)營(yíng)效果最好。</p><p><b>　　5.2設(shè)計(jì)準(zhǔn)則</b></p><p>　　—工程前期的研究（可行性研究）</p&

31、gt;<p>　　ASHPs不承擔(dān)任何民事地面安裝工程和臥管道。</p><p>　　GSHPs需要調(diào)查研究土壤或地表水的條件，這是一個(gè)重要的可行性研究。對(duì)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(duì)于GSHPs，建筑設(shè)計(jì)師有較大的靈活性。建筑師不

32、面臨不顯眼的HVAC設(shè)備的前景在屋頂上，結(jié)果是使用了大量的屋頂設(shè)計(jì)（包括傾斜屋頂）。</p><p><b>　　—施工難度指數(shù)</b></p><p>　　對(duì)于ASHPs，安裝非常容易，但對(duì)于GSHPs，在安裝以后一個(gè)GSHPs的地面連接就難以到達(dá)，還有材料和技術(shù)都是最高質(zhì)量，在某些情況下會(huì)阻止GSHPs的應(yīng)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(duì)于不同的GSHPs，成本都不同（見附錄2）。</p><p><b>　　—運(yùn)行成本</b></p><p>　　因?yàn)镚SHPs的高性能

34、和高制冷和供熱能力，GSHPs可以減低業(yè)主的運(yùn)行成本通過明顯地降低能量消耗（附錄3）。</p><p><b>　　—維修費(fèi)用</b></p><p>　　GSHPs有穩(wěn)固的地質(zhì)環(huán)境，不會(huì)受到像積雪和冰雹、臺(tái)風(fēng)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(fèi)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(guān)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(fèi)用和減少泄漏是兩方面優(yōu)勢(shì)，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(huì)干擾到地面當(dāng)?shù)孛骜詈舷到y(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，還有當(dāng)水源/池在運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生水污染問題。</p><p><b>　　5.5 可靠性</b></p><p>　　ASHP的預(yù)期使用壽命是15年(EERE (2001) p.3).華盛頓大學(xué)的Gordon Bloomquist博士說ASHP裝置要追

37、溯到20世紀(jì)50年代中期“是給建筑擁有者提供高水平服務(wù)”，并且表明“25-30年的系統(tǒng)可靠性是可達(dá)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(fèi)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(jié)</b></p><p>　　通過詳細(xì)的比較ASHP和GSHP,我們可以看到GSHP比ASHP的優(yōu)勢(shì)要多從下列方面：更高效應(yīng)；更低壽命周期成本；對(duì)環(huán)境影響更低；更高可靠性和其他實(shí)際的便利。</p><p>　　GSHP是被推薦公認(rèn)的一種優(yōu)先選擇對(duì)于新

39、建建筑。特別是對(duì)于大型建筑使預(yù)付費(fèi)用對(duì)于業(yè)主不會(huì)構(gòu)成壓力并且可利用好的合格的施工隊(duì)；當(dāng)?shù)氐臍夂蝻@示大的季節(jié)變化溫度;對(duì)于可行的土壤或水質(zhì)條件。</p><p>　　盡管如此，ASHP是合適的如果顧客對(duì)于成本效益標(biāo)準(zhǔn)是短期回收成本，當(dāng)?shù)貧夂驕睾?，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(shì)

40、，隨著全球關(guān)注氣候變化還有能源資源的消耗，熱泵最潛在的綠色技術(shù)之一。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：（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(shí)（6英尺）。</p><p>　　附錄2 安裝費(fèi)用比較</p><p>　　正如下面描述，GSHP比ASHP的安裝費(fèi)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(fèi)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(yùn)行成本費(fèi)用比較</p><p>　　案例研究1：下面的數(shù)據(jù)來源美國(guó)的三個(gè)氣候非常不同的地方。單位是年度千瓦時(shí)（KWh）,不同系統(tǒng)形式傳統(tǒng)消費(fèi)，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(biāo)準(zhǔn)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(duì)于一個(gè)內(nèi)布拉斯加州的新建小學(xué)一個(gè)20年周