北京COOL青年：用自然的力量实现建筑的冬暖夏凉
2024-09-29 阅读次数：97次
追求更加舒适的居住环境，是人类一直以来的美好愿望。在古代，人们冬季使用火墙和火炕来提高室内温度，凿冰储存在冰窖中供夏天取出降温。随着科技发展，各类供暖、制冷装置的普及大大改善了人们的居住环境。这离不开对热泵技术的深入研究与广泛应用。
众所周知，在自然情况下，热量只能由高温物体向低温物体传递。例如一杯热水放在自然环境中，水的热量会慢慢释放到空气中直到两者温度一致，而空气的热量却不会自己转移到更高温度的水中使水温变高。为了解释这种现象，人们总结出了热力学第二定律，即“热量可以自发地从温度高的物体传递到温度低的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体”。热泵(Heat Pump)是一种将低温热源的热能转移到高温热源的装置，也是在全世界倍受关注的新能源技术。热泵与水泵有异曲同工之处，水泵能将水由低处输送到高处，热泵则能将热量从低温处输送到高温处，这就是“热泵”名字的由来。热泵通常是先从自然界的空气、水或土壤中获取低温热能，经过做功转换成更高温的热能，供人们生产生活使用。水从高处流向低处，热由高温物体传递到低温物体，这是自然规律。而热泵通过外部输入的动力做功，可以实现在低温物体中吸收热量，连同外部输入的功一起，变成更高温度热量供人们利用。我们用COP来表示热泵吸收转化低温热量的效率，通常情况下输入相当于1份热量的功，热泵可以实现3-6倍的热量输出，从而极大地提高了能源的利用效率。热泵系统既可以制冷，也可以供热。热泵由四个大部件组成，分别是压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。要搞清楚热泵的工作原理，首先要了解制冷系统的工作原理。制冷循环工作原理主要包括以下四个步骤：1.压缩过程：低温低压气态制冷剂从蒸发器出来进入压缩机，被压缩成高温高压气态制冷剂。此时制冷剂温度高于环境温度；2.冷凝过程：高温高压的气态制冷剂进入冷凝器，冷凝器通过换热，将热量传递给冷却水或室外空气等冷却介质，制冷剂凝结成高压液态，实现放热。此时制冷剂温度高于环境温度；3.膨胀过程：高压液态制冷剂通过膨胀阀，压力骤降，温度也大幅下降，变为低温低压的液态和气态。此时制冷剂温度低于室内温度；4.蒸发过程：低温低压的制冷剂进入蒸发器，吸收供冷循环水的热量，供冷循环水温度降低，进入建筑风机盘管内吸收室内空气热量，达到降温目的。此时制冷剂温度低于室内温度，又回到低温低压气态，完成一个循环。热泵系统制热时的工作原理与制冷相同，只是循环方向相反，其通过内部一个叫四通阀的部件，使蒸发器变为冷凝器，冷凝器变为蒸发器。制冷剂在室外的冷空气或者循环水等低温热源处吸热而蒸发，经过压缩机压缩进入到冷凝器中，在冷凝器中制冷剂释放热量给供热循环水，供热循环水被输送到建筑地暖管或风机盘管内，实现对室内的供热。热泵工作原理都是一致的，通常按低温热源的种类不同，热泵可分为空气源热泵、地源热泵和水源热泵。1.空气源热泵：空气源热泵以大气为低温热源，通过输入电能等能源，吸收空气中的热量并将其提高温度后为用户供热。2.地源热泵：利用地下土壤温度相对稳定的特性，通过在深埋于建筑物周围的管路系统中通入循环水实现与土壤的换热，再通过热泵、换热器等一系列设备转换，最终实现对来自于土壤的热量的提质和为建筑物供热。地源热泵冬季从土壤中提取热量，使土壤温度降低；夏季从建筑内吸收热量排入土壤使土壤温度升高。地源热泵实现了能量的跨季节存储，将夏季室内的热量存储在土壤中，冬季再供给建筑供暖用，是非常有应用前景的一种热泵。3.水源热泵：地球表面浅层水源，如地下水、地表的河流、湖泊和海洋等，相对于环境温度来讲一般都十分稳定。在夏季，可以通过热泵将建筑物中的热量释放到水体中，由于水源温度较低可以高效地带走热量，以达到制冷的目的；在冬季，由于水源温度较高，通过热泵可以从水体中“提取”热能，送入建筑物中供暖。热泵动力来源有天然气、燃油等化石能源以及电能等高品位能源。其中用电能作为动力的热泵占据了绝大部分，其布置灵活、能效水平更高，应用非常广泛。而且随着绿电在总电能中的占比越来越高，用电做为动力的热泵环保性越来越好。我国现阶段电能的来源有煤电、水电、风电、光伏、核电等，其中煤电还占有相当一部分比例。近年来随着我国新能源技术的不断发展，风电、光伏发电等绿色能源的装机容量与发电量不断上升，电能中绿色能源的占比越来越大，其中布置在建筑物上的光伏发电装置是光伏发电站重要的组成部分。光伏建筑一体化（简称BIPV）近年来得到了快速发展。BIPV是应用太阳能发电的一种新概念，简单地讲就是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力。此外，安装于建筑上的分布式风力发电也得到了快速发展，可以给建筑提供更多的绿色电能。随着BIPV、分布式风电与储能技术的进步，相信有朝一日，建筑完全靠自身就能实现能源的自给自足，热泵消耗的电能全部来自建筑自身发出的绿电，最终实现依靠纯自然的力量来实现建筑的冬暖夏凉。撰写人：郗厚站 北京制冷学会会员、北京燃气能源发展有限公司运营部经理，工程师审核人：王立 北京制冷学会副理事长、科普培训工作委员会主任，北京科技大学教授
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