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地源热泵在零能耗建筑中的应用
来源:《热泵资讯》 日期:2011-12-31 点击:次

 张延军 胡忠君 王世辉 李录娟
(吉林大学建设工程学院,长春,130026)

摘  要:论文介绍了国外零能耗建筑的最新进展,结合北海道大学校园内的实验屋和美国明尼苏达科学博物馆的节能设计,分析了地源热泵技术在零能耗建筑设计中所发挥的作用。结果表明:地源热泵技术在亚寒带地区建筑节能中所占的比重为20%左右。针对工程实例中所存在的问题进行了探讨,对地源热泵技术在零能耗建筑中的发展前景进行了展望。

关键词:地源热泵;零耗能建筑;实验屋

1.概况

建筑物使用可再生能源技术以满足能量需求,附加一系列节能设计和材料安装,称之为低能耗甚至零能耗建筑。北美的标准是相对于传统能量消耗降低60%~70%,四口之家综合全年的电网消费从目前平均4.3美元/天降低到不足1美元/天[1]。这里指的可再生能源主要是指太阳能采集、光伏发电、风能、地热能等,其中地热能的利用主要是指地源热泵技术。

目前流行的节能设计方式主要有两种:风能+太阳能光伏发电+地源热泵制冷暖;太阳能光伏发电+地源热泵制冷暖。前者典型案例是1997年日本北海道大学校园内的实验屋[2],见图1,后者的典型案例是美国明尼苏达科学博物馆[3],见图2。在这些零能耗建筑设计中,作为节能措施的地源热泵技术起到建筑物制冷取暖功用。


图1  北海道大学校园内的实验屋

北海道大学校园内的实验屋建成于1997年3月,位于亚寒带地区,为带半地下室的两层木结构房屋,房屋总高度9.468m,建筑面积192m2,采用风能+太阳能+光伏发电+地源热泵制冷暖混合系统。实验期间,实验屋全年总能耗为57.7GJ,其中80%由混合系统提供(光伏发电24%,太阳能13%,回收热能7%,地热能36%),实验屋每年购买的能耗只占同类房屋全年购买能耗的12.5%,接近于零能耗。


图2  明尼苏达科学博物馆(SMM)

明尼苏达科学博物馆(SMM)坐落在美国明尼苏达州密西西比河岸的圣保罗市中心,2001年开始建造,2003年6月竣工,建筑面积142m2,位于亚寒带地区,在实验期间(2005年2月~2006年1月),一月(最冷的月)的日最低温度为-20℃,七月(最热的月)的日最高温度为31℃,由于采用太阳能光伏发电+地源热泵制冷暖等多项节能设计,导致建筑节能最终超过了设计目标。

2.各国发展情况与展望

美国能源部(DOE)在2009年发布了美国零能耗建筑的行动计划,该计划要求到2020年建设100,000栋该类建筑,2002~2003年全美在11个项目上共建设400套零能耗建筑,2004年共上马19个新项目,建设1400套零能耗或低能耗建筑。DOE和国家可再生能源实验室(NREL)2008年发布了第一个技术支持文件,认为有50%的节能是通过零能耗商业建筑来实现的,这个报告提供了关于如何实现供暖制冷50%的节能建议[4] [5]

日本于1994年开展一项70,000光伏屋顶市场激励计划,以降低50%的安装光伏成本,自1994年以来,激励稳步下降,将逐步在2006年以后淘汰,留下一个欣欣向荣的行业,作为光伏产业,其成本下降已要求超过75%这一界限。积水化学工业株式会社在2004年10月发布了一个新房子模型“GRAND TO YOU”,这将极大地提高能源效率,他们预计每年的销售额在2,500户左右[6]

欧洲也制定了零能耗标准,为欧洲标准(仙王座)的一个项目,该项目包括制定在5个欧洲国家建设250个房屋单位的零能耗之家的标准。房屋建造需要有一个不足15 kWh/m2•yr的热负荷,能源消费120 kWh/m2•yr,这里包括供暖、热水和家庭的用电量。德国的科研单位参与了该计划,他们参与仙王座项目评价的科学协调,并履行在汉诺威和卡塞尔的实施,德国项目的监测和评估也同时在现场进行,以提供建设进程的科学数据,并帮助与规划生产[6]

成立于1974年的国际能源机构(IEA)也在进行其成员之间的合作全面计划,一个著名的项目位于瑞典的哥德堡,它们的制造方法是无需任何取暖设备的需求,仅有5400千瓦时每单元的总用电量。热量提供由住户(1200千瓦时/年)、照明设备和电器(2900千瓦时/年)以及热回收一起工作以满足所有的取暖需求[6]。这些房屋不需要空调系统,这些房子是用来满足零能耗标准,见图3。


图3  瑞典建造没有暖气系统的零能耗建筑

3.美国和日本的实验屋分析

日本实验屋的建筑体积是500m3,太阳能光伏发电和太阳能采集4.3KW,风力发电0.6KW,废气0.4KW,地源热泵水平埋管300m,内径23mm,垂直钻孔埋管2根30m,内径81mm。地下取热温度10℃,时地源热泵的COP为3.1~4.0。该实验屋每年从地下垂直钻孔浅层地热总额19.22 GJ,热泵的电消耗6.04 GJ,为制冷而热回灌量是1.47 GJ。太阳能采集(11.43GJ)的66%(7.55GJ)用于室内热水消耗,其余的用于水平地埋管的热量储存,每年的光伏系统所产生的13.86 GJ的能量。该实验屋仅供试验,并未投入实用。采用节能设计措施后的房屋每年购买的能耗与不采用节能措施每年需要购买的能耗的对比见表1。由表1可以看出,在该地区没有采用任何节能措施的房屋(A方案)每年购买的能量大约是93.75GJ,采用了保温技术的房屋(B方案)每年购买的能量是71.50GJ,能耗系数降至76.2%,而当采用L方案(零能耗建筑)时,每年购买的能量仅仅是11.75GJ,能耗系数降至12.5%,基本实现自给自足,接近于零能耗。同时在对F、G和H设计方案的分析中可以看出,采用地源热泵制冷暖节能措施的房屋能耗最小,由B和H方案对比可见地源热泵技术在节能措施中所发挥的节能能效为22%。

表1 北海道大学校园实验屋能耗对比表

注:1、能量消耗是指每年采取相应节能措施后需要再购买的能耗
        
2、能耗系数=房屋采用节能措施后每年购买的能耗/房屋无节能措施每年需要购买的能耗

明尼苏达科学博物馆(SMM),由于采用多项节能措施,实际上建筑节能最终超过了设计目标,平均每年使用0.71KWh/m2•yr,而生产的能源有0.97KWh/m2•yr之多。其中地源热泵系统被安装以提供加热和制冷,该系统的制冷EER达到12.7,加热COP为3.1,在夏季作为副产品该系统可以提供热水,在建筑运行的开始几周中,备用电阻加热器启用了,说明地源热泵没有按预期运行,原因后来查明是两个高压开关损坏,替换后工况正常。表2给出了该建筑所采用的节能措施和相应的预期能耗指标,由于采用地源热泵技术,能耗系数降至为0.8,节能20%,说明地源热泵技术在该类建筑节能的过程中起到了至关重要的作用。

表2 明尼苏达科学博物馆能耗对比表

综上分析可见,北海道实验屋和明尼苏达科学博物馆均采用了太阳能光伏发电+电源热泵制冷暖的节能措施,节能分别达到87.5%和100%,接近于零能耗,表明在亚寒带气候条件下采用太阳能光伏发电+电源热泵制冷暖的节能措施可以取得良好的效果。

4.结论

(1)北海道实验屋和明尼苏达科学博物馆气候条件具有相似性,均位于亚寒带地区,冬季和夏季平均气温较接近,地源热泵技术所占节能比重分别为22%和20%,表明地源热泵技术在亚寒带地区房屋节能设计中所发挥的作用基本相同。试验基于单体、小型实验性示范建筑,具有一定的局限性,仍处于前沿探索阶段。

(2)北海道实验屋和明尼苏达科学博物馆的对比分析表明:对于位于亚寒带地区的建筑为了实现零能耗,采用太阳能光伏发电+电源热泵制冷暖的节能措施可以取得良好的效果。

(3)我国地源辽阔,南北气候差异较大,建筑的类型和特点不尽相同,对于大型的、密集的住宅区该技术是否适用,在节能设计中会起到多大的作用,仍有待进一步的研究。

参考文献

[1] Achrnews.DOE Says 50 Percent Milestone Is Reachable Toward Zero-Energy Buildings .Nov. 10,2008:http://www.achrnews.com/Articles/Breaking_News/BNP_GUID_9-5-2006_A_10000000000000462359

[2] Yasuhiro Hamada,Makoto Nakamura,Kiyoshi Ochifuji,Katsunori Nagano ,Shintaro Yokoyama.Field performance of a Japanese low energy home relying on renewable energy. Energy and Building 33(2001):805~814

[3] Jason Steinbock, David Eijadi,Tom McDougali. Net Zero Energy Building Case Study: Science House[J]. ASHRAE Transactions, 2007,1(113):26~35

[4] E.T. Hale, D.L. Macumber, N.L. Long,etc.Technical Support Document: Development of the Advanced Energy Design Guide for Medium Box Retail—50% Energy Savings. Technical Report NREL/TP-550-42828 September 2008

[5] E.T. Hale, D.L. Macumber, N.L. Long, etc.Technical Support Document: Development of the Advanced Energy Design Guide for Grocery Stores—50% Energy Savings. Technical Report NREL/TP-550-42829 September 2008

[6] Rémi Charron .A Review of Low and Net-Zero Energy Solar Home Initiatives. CANMET Energy Technology Centre-Varennes, NRCan

[7] Onder Ozgener,Arif Hepbasli. Exergoeconomic analysis of a solar assistedground-source heat pump greenhouse heating system[J]. Applied Thermal Engineering ,25 (2005) :1459–1471

[8] Merve Bedir.On the threshold of new housing developments:zero energy housing[J]. Jurnal Alam Bina, 2007. 3(9):55~64

[9] P. Torcellini, S. Pless, and M. Deru, D. Crawley. Zero Energy Buildings: A Critical Look at the Definition[J]. ACEEE Summer Study Pacific Grove, California August 14−18, 2006:1~13

[10] Yasuhiro Hamada,Makoto Nakamura,Kiyoshi Ochifuji,Katsunori Nagano ,Shintaro Yokoyama.Field performance of a Japanese low energy home relying on renewable energy . Energy and Building 33(2001):805~814

 
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