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畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯
學 院： 機械電子工程學院
專 業(yè)： 熱能與動力工程
姓 名： 趙 龍
學 號： 080504110
外文出處： Applied Energy
35 （2011）3256--3264
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
指導教師評語：
簽名：
年 月 日
附件1：外文資料翻譯譯文
地源熱泵系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析及與其它熱力方式的比較
Stuart J. Self *, Bale V. Reddy, Marc A. Rosen
Faculty of Engineering and Applied Science, University of Ontario Institute of Technology, 2000 Simcoe Street North, Oshawa, Ontario, Canada L1H 7K4
摘要 在很多地區(qū)供熱在生活中是必不可少的，且不斷增長的能源需求和污染物的排放使傳統(tǒng)的加熱技術受到挑戰(zhàn)，包括地熱。對地源熱泵系統(tǒng)的評估包括熱泵技術、接地情況、當今世界上的地位和近期的發(fā)展。對地源熱泵和傳統(tǒng)加熱方式在成本、二氧化碳排放及其它參數(shù)方面進行比較。當電價較低的時候用地源熱泵是經(jīng)濟實惠的。當電力生產利用能源率較高時選擇地源熱泵機組有著最低的污染排放量。
關鍵詞 熱力 地熱能 熱泵 蓄能 效率 經(jīng)濟
1 引言
全球的大部分能源供應被用來發(fā)電和對特定空間的供熱，這些能源多數(shù)來自化石燃料。化石燃料的總量有限而且它的燃燒對環(huán)境是有害的：排放導致氣候變化的溫室氣體和其它污染物。我們對能源的需求正在不斷增長而且完全可以預見到未來化石燃料的短缺[1]。Hammond[2]認為伴隨化石燃料的燃燒產生的全球變暖和污染物排放對于構建可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)是一個不容忽視的因素。這種擔心對于降低整個社會對化石燃料的依賴有著積極的影響，它使人們有意識的降低對能源的需求并且努力尋找替代能源。尋找對環(huán)境更加友好且經(jīng)濟的能源來替代傳統(tǒng)化石燃料燃燒。
除化石燃料以外，地球表面下儲存著豐富的熱能。由于污染物的排放遠遠低于傳統(tǒng)的化石燃料燃燒能源系統(tǒng)，所以說地熱能源系統(tǒng)是非常環(huán)保的[3,4]。
地熱能源的利用主要通過三種方法：發(fā)電、直接供熱、通過地源熱泵間接的供熱或制冷。這三種利用方法分別用到了地熱的高、中、低三個不同溫度的資源。高溫和中溫的能源通常來源于由熔化的地殼產生的熱流體，從大面積的水或者熔漿中聚集。低溫能源接近周圍的環(huán)境溫度而且大多源于地表和周圍空氣對太陽能的吸收。
高、中溫熱力能源一般都在地球深處[5]，而由于鉆孔和其它開發(fā)方法在極深地方的費用會變得很高，所以深度對開發(fā)高、中溫熱力能源的經(jīng)濟性有很大的影響。低溫地熱資源豐富而且在全世界大多數(shù)地區(qū)都可以開發(fā)和利用。由于深度較小涉及問題少，提取這種能源相當?shù)暮唵?。熱泵提高低溫熱源的溫度使之達到實際應用的需求。地源熱泵可以使空間加熱變得環(huán)保和經(jīng)濟，并且可以應用于一定空間的制冷。
本文審視地源熱泵系統(tǒng)并且把它和其它的熱力系統(tǒng)進行比較，以提高對地源熱泵的認識并且提高它在合適情況下的利用率。
2 地源熱泵
地源熱泵能夠經(jīng)濟高效的提供熱量，并且排放的污染物很少[6]。熱泵的概念自1800年被人所認可，至今已經(jīng)商用約六十余年。類似于冰箱，熱泵將較低溫度熱源中的熱量轉移到溫度較高的介質中[7]。熱泵提供的熱量是可利用的，通常應用于適宜的溫度環(huán)境下來保持一定空間的舒適性。熱泵最有吸引力的一個特點是，熱泵所傳輸?shù)臒崃繒嘤谶\行過程本身所需求的能量[4,8]。
地源熱泵（GHPs），也被稱作土壤源熱泵、地熱能量系統(tǒng)、地下耦合熱泵、地面耦合熱泵[9,10]，是由三個主要系統(tǒng)：
l 地源熱泵：使熱量在地面和建筑間轉移并改變熱量的溫度[11]。
l 接地系統(tǒng)：通過換熱器促進熱量從地面的吸收，供給地源熱泵[11]。
l 室內供熱系統(tǒng)：調整和輸送適度的熱量到特定空間[11,12]。
2.1 熱泵系統(tǒng)
熱泵系統(tǒng)以電為動力驅動壓縮機，來保持工質必要的濃度同時傳遞熱能[4,8]?；镜臒岜孟到y(tǒng)用于運行蒸汽壓縮制冷循環(huán)。熱泵內的工質通常是使用制冷劑，制冷劑的選擇由地源熱泵的整體特點和要求所決定[6,13]。地源熱泵系統(tǒng)通過控制工質的壓縮和膨脹來改變其壓力和溫度，從而實現(xiàn)熱量在地源和供熱空間之間的傳遞[4,8,11]。熱泵主要包括五個組件(圖1) [10,11,14]：壓縮機、膨脹閥、換向閥、兩個熱交換器。當然還有很多小型的組件和配件，例如：風機、管道和輔助控制系統(tǒng)。
圖1 地源熱泵系統(tǒng)及減溫器基本布局
地源熱泵的加熱流程如下[12]：
l 從地源吸收熱能并輸送到蒸發(fā)器。
l 熱泵機組內制冷劑占主導地位的工質進入蒸發(fā)器，熱量從接地系統(tǒng)轉移到工質中從而引起制冷劑升溫沸騰成為壓力較低的蒸汽；溫度略有增加。
l 蒸發(fā)器中產生的蒸汽進入電動壓縮機，壓縮之后成為高溫高壓蒸汽。
l 高溫蒸汽進入冷凝器。此時制冷劑高于外部空間，從而促使熱量熱量從制冷劑傳遞到建筑空間中。制冷劑降溫凝結，成為高溫高壓液體。
l 熱液體通過膨脹閥，壓力降低從而使溫度下降。制冷劑再次進入蒸發(fā)器，開始下一個循環(huán)
包括制冷系統(tǒng)在內的許多系統(tǒng)是要把特定空間中的熱量轉移釋放到土地中去。在制冷模式下，四通閥作用于流體，使工質在循環(huán)中按照相反的方向流動。換熱器的功能反轉，與地源相連的熱交換器成為冷凝器，建筑空間中的熱交換器成為蒸發(fā)器[8,12]。
有一些系統(tǒng)，包括減溫器(圖1)，作為輔助換熱器將熱量傳遞到一個熱水箱。減溫器安裝在壓縮機出口處，將壓縮氣體所產生的熱量通過熱水箱傳遞到水循環(huán)中，這樣一來能夠降低甚至消除加熱水所需的熱量。
能源利用效率優(yōu)劣的評價，一般是用系統(tǒng)產出的能量比上運行系統(tǒng)所消耗的能量。熱泵所能產出的熱量多于輸入熱泵的能量，也就是說，按照能效比的定義，熱泵的能效比是大于100%的。為了避免這種尷尬，定義系統(tǒng)所實現(xiàn)的制冷或制熱量與輸入功率的比值為用長期性能系數(shù)(COP)，以此評價熱泵性能[9]。地源熱泵的COPs通常在3到6之間，取值依賴于系統(tǒng)與地連接設置、系統(tǒng)大小、地源特點、安裝深度、當?shù)貧夂虻忍攸c[10,15]。
2.2 熱量輸送系統(tǒng)
熱泵系統(tǒng)的供熱系統(tǒng)將熱量由熱泵輸送到整個空間。輸送系統(tǒng)主要有兩種：水--空氣傳熱與水—液體傳熱。水—空氣傳熱系統(tǒng)將能量有地源轉移到空氣，由空氣作為向空間傳熱的傳輸介質，水—液體供熱系統(tǒng)是由水和另外一種作為介質的液體進行換熱。
在北美，最常見的地源熱泵系統(tǒng)是水—空氣換熱的，熱泵的冷凝器加熱空氣線圈，熱空氣從其中通過。熱空氣通過空調管道和通風口進入建筑[12,16]。
水—液體加熱系統(tǒng)俗稱液體循環(huán)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，能量由接地線圈從地源吸收，接著被熱泵加熱并傳遞至水中，由水作為介質傳遞至建筑中。系統(tǒng)中的水通過地源熱泵系統(tǒng)冷凝器吸取熱量。之后水由泵驅動環(huán)繞建筑轉動，將熱量由地面輻射供熱、散熱器或局部空氣線圈等供熱方式方式傳遞至空間中。這種系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的強制對流系統(tǒng)需要較低的溫度。室內溫度最高的空氣在加熱爐中被強迫向天花板上升，形成一個涼爽舒適的居住空間。為了能使生活空間更加接近于期望的溫度，進入空間氣體的溫度必須高于空間本身溫度。地板輻射供熱的空間溫度由地板到天花板都會很均勻，提供舒適的生活溫度需要的能量更低[8, 15,16]。
也有混合的動力系統(tǒng)，它結合了兩種系統(tǒng)的供熱方法，能夠更加有效靈活的控制空間溫度。
2.3 接地系統(tǒng)
空氣源熱泵使用周圍環(huán)境作為熱源，地源熱泵使用地面作為熱源。環(huán)境空氣溫度一年四季以及每天的差異相對地面都更加大[17]。淺于0.8米的地面每天的溫度會有波動，而更深的地方溫度基本沒有變化。地面溫度隨季節(jié)的變化比較明顯，每天的變化比較小。圖2顯示了地面溫度在一年內加拿大渥太華的地表溫度一年內的變化。隨著深度的增加，極端高溫和極端低溫開始大范圍出現(xiàn)。地面以下的溫度取決于很多因素，如太陽輻射、積雪、氣溫、降水和地面的熱性能。在加拿大每年持續(xù)觀察深于十米的水溫[18]。如圖3顯示了渥太華不同深度隨季節(jié)變化的溫度變化情況。
地面下深度（m）
圖1 加拿大渥太華，地面溫度與深度的變化關系。Ref修正[12]。
地源熱泵利用了地面溫度相對恒定，而且在冬天溫度高于環(huán)境空氣溫度，在夏天低于環(huán)境空氣溫度[17]的特性。地面溫度仍然接近建筑環(huán)境所期望的溫度值。當內部和外部的溫度出現(xiàn)劇烈的變動時，空氣源熱泵如要提供相同程度的熱量需要做更多的工作，這會導致能效比的降低[14]。如果存溫差大小出現(xiàn)變化，熱泵系統(tǒng)不需要額外操作。
接地系統(tǒng)或者接地環(huán)路熱交換器由使流體在熱泵系統(tǒng)和地面間傳輸?shù)囊皇苈方M成。兩種主要的回路設計方法是：雙回路和單回路構造。
溫度（oC）
圖3 加拿大渥太華一年內不同時期地表溫度變化。Ref修正[12]。
2.3.1 雙回路構造
雙回路配置是最常見的系統(tǒng)配置，包含一個獨立于熱泵系統(tǒng)之外的接地系統(tǒng)。熱泵機組由地面獲取的熱量通過熱交換器由水或水/防凍劑混合物轉移到制冷劑。目前標準管道規(guī)格是由聚乙烯或聚丙烯制造，內徑19mm(3/4英寸)，作為中小型規(guī)模應用。有兩種雙回路構造：閉環(huán)式和開放式。
2.3.1.1 閉環(huán)式系統(tǒng)
閉環(huán)式系統(tǒng)的應用很常見，其中傳熱流體存在于循環(huán)線圈中，不與地面產生直接接觸；熱量在地面和管道之間進行傳遞[20]。閉環(huán)系統(tǒng)分作四類：縱向、橫向、螺旋等。
垂直閉環(huán)系統(tǒng)由垂直方向的熱交換管道組成。有一個深入地面的孔道，一般深度在45—75m，面積較大的建筑和工業(yè)使用可能會超過150m。建筑底部有一個U形連接器，與兩個管道連接接入孔中（圖4）[21]。為了強化傳熱，管道和井壁之間充滿了一種可用泵吸收的漿狀材料[20,22]。為了確保在多重多樣的鉆孔中流動順利進行，需要采用歧管系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以安置在系統(tǒng)內部或者循環(huán)區(qū)域內部。垂直循環(huán)的一個優(yōu)勢是降低了安裝面積，使它更適用于土地面積有限的情況。另一個促進它使用的因素是它不會破壞周圍環(huán)境，因為鉆孔相對挖溝來說影響較小[17,23]。此外，由于地下深處的溫度一年四季接近恒定，將管道定位在那里使地源熱泵有著穩(wěn)定的熱性能并能降低整個回路的長度[20,23]。使用這種系統(tǒng)最大的缺點是安裝成本較高，因為鉆孔比挖溝要昂貴的多。因此，垂直閉環(huán)系統(tǒng)更多應用于大規(guī)模工程[9]。
在地面面積充足的地方常見的是水平閉環(huán)系統(tǒng)，接地回路鋪于溝中后埋入地下。根據(jù)傳熱要求和土地情況，循環(huán)的安排方式可能有所差別。三種最常見的布局形式是基本回路（圖5）、連續(xù)回路（圖6）、并行回路（圖7）。
相對于連續(xù)式和并列式回路，基本回路布局通常需要占用較大的面積。連續(xù)回路降低了對面積的要求而且簡單易安裝，所以也很常見[9]。連續(xù)回路和并列回路可以結合使用，能夠提高安裝使用的靈活性。對于住宅設施來說，水平式比垂直式更加具有經(jīng)濟性，因為挖溝的成本遠小于鉆孔[9]。
放置管道的溝深度一般不超過幾米，但在會出現(xiàn)霜凍的地區(qū)，應當在凍土層以下。隨著深度降低，土壤和周圍環(huán)境的相互作用增強，這將導致不同時間段和不同季節(jié)地面溫度出現(xiàn)變化，進而影響傳熱和系統(tǒng)性能。影響傳熱的其它因素包括雨水、降雪、植被情況和陰影等[9]。這些因素都會導致水平系統(tǒng)比垂直系統(tǒng)需要安排更多的管路。水平系統(tǒng)需要水/防凍液混合，作為寒冷氣候下的防凍保護[9]。
圖4 垂直閉環(huán)熱交換的地熱熱泵系統(tǒng)
圖5 地源熱泵水平閉環(huán)基本回路
圖6 地源熱泵水平閉環(huán)連續(xù)回路
圖7 地源熱泵水平閉環(huán)并列回路
閉式螺旋循環(huán)的排布類似傳統(tǒng)的水平循環(huán)，因為它也是水平的放置于淺溝內。但是，螺旋循環(huán)的管道在溝內是圓形放置的，每個螺旋有管道直接通向熱泵[9,24]。螺旋循環(huán)相對于水平循環(huán)占用的面積較小，而且對溝的要求也更低，但對于固定的負載它需要更長的管路。
有的螺旋循環(huán)是將管道放置于垂直的窄溝中。這種垂直排布的主要優(yōu)勢是降低了對水平面積的需求，也允許了很多種類挖溝設備的使用，有時有利于降低成本[17]。需要注意的是，在挖溝花費構成地源熱泵系統(tǒng)的主要成本時，螺旋循環(huán)能夠降低初始成本，在材料花費更大時是不會提高經(jīng)濟性的[21]。螺旋循環(huán)相對于水平循環(huán)的其它缺點包括：更低的傳熱量和更大的傳熱面積需求。由于螺旋循環(huán)管道長度增加，因此相對于其它水平排布循環(huán)對泵有著更大的需求，這就降低了系統(tǒng)COP。
閉環(huán)式池塘循環(huán)是閉式循環(huán)中最少見的熱交換系統(tǒng)，基本上是淹沒在水體中的螺旋式閉環(huán)系統(tǒng)。盤繞的管道接入框架并用混凝土固定?？蚣芡ǔＴ诔靥恋撞恳陨?3—48cm，以便管道周圍流體形成對流[21]。循環(huán)管道位置一般要超過1.8m深，這對于保證水質環(huán)境較低情況下，熱質的穩(wěn)定是必不可少的，并且能夠確保在寒冷的季節(jié)管道周圍水溫不會低于水的冰點。由于河流的水文情況不是很穩(wěn)定，因此不適合應用此系統(tǒng)，例如洪水或碎石可能會使管道損壞[9,24]。
池塘循環(huán)正在日益普及，部分原因是因為相比于其它系統(tǒng)需要更少的管道，而且有著優(yōu)越的傳熱特性，既不需要鉆井也不需要挖溝。這個系統(tǒng)的主要缺點是需要一個足夠到的水體，而且對水體有著諸多限制，例如禁止劃船。
2.3.1.2 開環(huán)式系統(tǒng)
開放式熱交換系統(tǒng)直接與地面進行熱交換。這些系統(tǒng)都使用當?shù)氐牡叵滤?
或地表水，如湖泊、池塘，作為直接傳熱媒介。水抽出后流過熱泵熱交換器，之后流回地下或者用于灌溉[9]。目前，對廢棄礦井中豐富水源的利用越來越廣泛，因為充滿熱水的廢礦井可以使地源熱泵技術的應用變得非常廉價。開放式系統(tǒng)更加傾向應用于大型熱泵系統(tǒng)。目前應用開環(huán)系統(tǒng)的最大的地源熱泵系統(tǒng)，為賓館和辦公樓提供10MW的熱量[9]。
常見的開環(huán)式系統(tǒng)有三種：提取井、回灌井和地表水系統(tǒng)（圖8）。水從一個達到地下水位的生產井抽取，之后流經(jīng)熱泵熱交換器，之后流回距離生產井有一段距離的地下，這段距離足以讓熱量由地表傳遞到水中[9]。回灌可以排除；開放引流價格便宜，但需要有豐富的水源供應熱泵，有一個切實夠大的容量以備長期使用[14]。熱泵機組水流量一般在5.7—11.4L/m。
圖8 開放式熱泵換熱系統(tǒng)及地源熱泵生產井和注水井。
開環(huán)系統(tǒng)的好處是水源溫度基本保持不變。因為避免了地源熱泵系統(tǒng)額外的與地連接的熱交換器，這就提高了COP[18]。由于不同的抽取方法，開環(huán)式系統(tǒng)可以承擔很高的載荷而且有著很高的COPs，并能降低成本[9]。此外，開環(huán)式系統(tǒng)相對于閉環(huán)式垂直系統(tǒng)需要的鉆孔較少，有著簡單的對地鏈接設計，并能降低運行成本。地源熱泵需要抽取一定量的水，這有可能受到當?shù)厮Y源保護法則的限制。開環(huán)式系統(tǒng)的主要缺點是需要保護水質，由于通常使用干凈的地下水或地表水，開環(huán)式系統(tǒng)有時是被禁止的[18]。開環(huán)系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)之間的熱交換器很容易受到腐蝕、污染和結垢，因此水應該處于中性并且含有一些微量礦物質，例如鐵[24]。如果水的化學性質不接近于中性，那么使用者的維修次數(shù)可能會大大提高[9]。
2.3.2 單回路配置
單回路配置也被稱作直接交換系統(tǒng)，熱泵工作流體流經(jīng)地面換熱器，從而避免了接地環(huán)路對熱交換器的需要。在供熱過程中，接地環(huán)路基本上成為熱泵蒸發(fā)器。單回路配置還排除了接地環(huán)路循環(huán)泵，而不是依靠增大壓縮機。這些措施都增加了地源熱泵的COP[18]。由于銅管優(yōu)越的傳熱性能，經(jīng)常應用于這些系統(tǒng)中以減少需要的排布面積。直接換熱的壓力較大，需要良好的施工以避免因管道破裂對系統(tǒng)運行的影響。如果管道破裂，整個系統(tǒng)可能需要挖出來進行維修。另一個缺點是涉及增加接地回路容納制冷劑的體積，這會增加系統(tǒng)成本[9]。盡管如此，由于具有較高的COPs，單回路配置系統(tǒng)的應用越來越普及，而且一些國家（法國和奧地利）正在研究與蒸發(fā)器直接換熱加上一些設施直接冷凝來進行地板式供熱[9]。
2.4 全球地位
地源熱泵的主要優(yōu)勢是能夠利用溫度在5℃--30℃的土壤和地下水，而這個溫度范圍在全世界各地的一定深度都會存在[15]。如，在2004年約30個使用地源熱泵系統(tǒng)的國家，領先的國家有美國、瑞典、德國、瑞士、加拿大和奧地利等。表1列出了有安裝地源熱泵能力的幾個國家。截止2004年全球安裝的地源熱泵熱能力12萬千瓦左右，每年的能源使用需求在20億千瓦時。該技術在法國、荷蘭、中國、日本、俄羅斯、英國、挪威、丹麥、愛爾蘭、澳大利亞、波蘭、羅馬尼亞、土耳其、韓國、意大利、阿根廷、智利、伊朗、英國和挪威[15]逐漸興起。自1994年以來的年均增長率一直在10％左右，目前大約是170萬的應用[12]。美國和歐洲的領導人，目前也出于經(jīng)濟增長考慮發(fā)展該技術。
表1 2004年熱泵技術使用領先的國家
國家
熱裝機容量（MW）
每年能源使用（GWh）
地源熱泵安裝數(shù)量
美國
瑞典
德國
瑞士
加拿大
澳大利亞
6300
2000
560
440
435
275
6300
8000
840
660
300
370
600000
200000
40000
25000
36000
23000
地源熱泵技術的增長一直比其他可再生能源與常規(guī)能源技術慢一些。增長受限可以歸因于諸多因素，包括非標準化的系統(tǒng)設計、相對于其它系統(tǒng)較高的成本、人們對于GHPs安裝知識有限、政府政策的限制、經(jīng)濟規(guī)模和地區(qū)經(jīng)濟的限制[6,18]。盡管有這些問題存在，但是卻正在不斷的被解決，提高了人們對該技術的接受程度[15]。
3 近期發(fā)展
近期有很多關于地源熱泵系統(tǒng)各個方面發(fā)展的報告。
3.1 輔助冷卻組件
由于壓縮機和泵都不是100%的效率，它們運行過程中產生的熱量直接被釋放浪費掉。壓縮機和泵產生的廢熱可用于預熱循環(huán)泵中的制冷劑。將制冷劑通入一個密封的外殼，覆蓋于泵和壓縮機外面，由它們的電動機驅動能夠實現(xiàn)將熱量傳遞出去。預熱能夠提高組件性能，提高整個地源熱泵系統(tǒng)的COP，以及降低接地回路換熱器的熱負荷[8]。
3.2 地面霜凍循環(huán)
在多年凍土地區(qū)地源熱泵的使用也逐步開始。建筑地基傳熱可能使永久凍土層融化并危及結構的完整性。通過安裝一個緊鄰地基的地面循環(huán)，凍土融化的現(xiàn)象可能降低甚至消失。從地基散發(fā)的熱量被循環(huán)系統(tǒng)抽取，以確保建筑不會大幅度影響當?shù)氐乇頊囟?。抽取的熱量用于補充建筑所需的熱量，通常占建筑所需總熱量的20—50%。該系統(tǒng)不應當使地面凍結的時間超過自然周期內凍結的時間，不應當擾亂當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。熱交換回路應當時安全可靠的，以防出現(xiàn)故障影響到建筑的穩(wěn)定性[12]。
3.3 單井回灌熱交換系統(tǒng)
單井回灌某些方面結合開放式和封閉式水熱交換系統(tǒng)。它們本質上是地下水源熱泵系統(tǒng)，使用來自于半開放式循環(huán)安排的井水。在這樣的系統(tǒng)中，一個垂直鉆孔深入來自深巖井底部溫水中，用潛水泵抽取供給熱泵機組。冷水被引止抽水井口附近。冷水深入地下過程中吸取土壤中的熱量，從而避免了單獨建造一個注水井。單井回灌系統(tǒng)最近越來越被人所接受，因為在合適的地區(qū)它們有著良好的整體性能。該系統(tǒng)被安裝在地表有45—60m石床的地點。國內作為飲用水源的井很容易被改造應用于該系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可以應用于充滿水的礦井和隧道[9]。
4 供熱系統(tǒng)的分析比較
在以下供暖系統(tǒng)間進行比較：地源熱泵、空氣源熱泵、電動基板、熱水器、天然氣爐（中、高效率）。加拿大三個省份（阿爾伯塔省、安大略省和新斯科舍省）進行效率、成本和排放量評估。結果列于表2、3。在歐洲的發(fā)展也進行了探討。
4.1 效率
地源熱泵具有高效率，反映在他們的COPs。典型的等效于COP的系統(tǒng)有以下這些：地源熱泵：3-5、空氣源熱泵：2.3-3.5 、踢腳線電熱水器：1、中間效率天然氣爐： 0.78-0.82、高效率天然氣爐：0.88-0.97 。
4.2 經(jīng)濟性
相比于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)，地源熱泵系統(tǒng)初始成本大幅提高，主要因為地源熱泵機組和接地裝置（包括鉆井和挖溝的成本）等資金的投入。但是，地源熱泵能夠高效的降低運行成本。
4.2.1 在加拿大的經(jīng)濟性趨勢
對于在加拿大的情況分析是，假設所有條件相同的情況下初始投資成本的評估。在天然氣特定的省份，每年供熱成本為基礎的電力成本。假設20年的壽命和平均COP 4的地熱系統(tǒng)。典型地熱泵有20-25年的保證，但存在有超過30年運行的系統(tǒng)。假定系統(tǒng)安裝不需要新的管道安裝。
表2總結了評估成本。結果表明地熱熱泵的經(jīng)濟可行性很大程度上取決于位置。電力、天然氣的價格和其他取暖燃料價格具有區(qū)域性。在阿爾伯塔省和新斯科舍地源熱泵是最經(jīng)濟競爭力的選擇。在安大略省的空氣源熱泵有決心20年后極大降低成本。艾伯塔省和新斯科舍省比安大略省有較高的電力價格，直接影響到了這一調查結果。高電價促進了空氣源熱泵和電動地板的推廣使用。研究還發(fā)現(xiàn)，當天然氣的價格較低時，使用天然氣和地源熱泵供暖花費之間的差距縮小。當天然氣或其它燃料價格較低時，使用地源熱泵可能并非最經(jīng)濟的選擇[18]。
在特定的地區(qū)地源熱泵空調系統(tǒng)表現(xiàn)出漸增的經(jīng)濟優(yōu)勢，因為地源熱泵在反向工作時使它們能夠從建筑中吸收能量傳遞至地面。而傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)需要一個單獨的空間制冷空調，地源熱泵系統(tǒng)避免這種初始成本[24]。地源熱泵系統(tǒng)的投資回收期通常是6至20年之間，根據(jù)資金成本、能源價格和能源價格不斷上漲[18]。另一個沒在研究中量化的優(yōu)勢是，設備本身的價值。GHPs傾向于增加屬性值，能夠實現(xiàn)建設和土地投資的高回報，并促進更理想的抵押貸款評估[18]。請注意，地源熱泵系統(tǒng)是最具成本效益的，如果安裝在建筑施工中，或者當一個老的供暖系統(tǒng)需要更換時。購買和安裝地源熱泵，作為一個工作系統(tǒng)的選擇，很少是值得從能源和經(jīng)濟的角度考慮的[14]。
4.2.2 在歐洲的經(jīng)濟性趨勢
表4說明了歐盟各國家的天然氣和電力價格。該分析假設所有國家具有穩(wěn)定的熱負荷且系統(tǒng)有20年的壽命。比較空氣源熱泵、電加熱器、天然氣爐（中、高效率）的成本（包括初始成本）。為簡單起見，初始成本假設為與加拿大的比較中使用的相同。
歐洲的天然氣和電力成本較高，但是高于加拿大的投資花費看起來是相對的。在大多數(shù)歐盟國家看來，地源熱泵系統(tǒng)想對于傳統(tǒng)供熱方式更具經(jīng)濟性，而安裝成本的增高相對于20年的使用壽命來說是微不足道的。在德國、愛爾蘭、盧森堡、西班牙和英國發(fā)現(xiàn)，使用高效率的天然氣爐更加經(jīng)濟，這是由于電力的價格要高于可燃氣體。
表2在幾個地點的各種供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟參數(shù)比較
供熱系統(tǒng)
投資成本($)
阿爾伯塔
安大略省
新斯科舍省
年花費($)
現(xiàn)值($)
年花費($)
現(xiàn)值($)
年花費($)
現(xiàn)值($)
地源熱泵
空氣源熱泵
電熱板
天然氣爐a
天然氣爐b
9000
4900
1550
1500
1900
601
813
2257
1276
1109
21020
21160
46690
27020
24080
328
444
1231
2344
1049
15560
13780
26170
48380
22880
649
877
2432
1885
1653
27230
27940
50190
44750
40460
單位為2009年加元。
現(xiàn)值指一個20年期間。
a代表中間效率。
b代表高效率。
表3 在幾個地點各種供熱系統(tǒng)的二氧化碳排放量比較
供熱系統(tǒng)
每年燃料使用（kWh）
阿爾伯塔
安大略省
新斯科舍省
排放強度
排量
排放強度
排量
排放強度
排量
地源熱泵
空氣源熱泵
電熱板
天然氣爐a
天然氣爐b
6080
8214
22280
28475
24655
1.12
1.12
1.12
0.190
0.190
6826
9222
25015
5410
4684
0.188
0.188
0.188
0.190
0.190
1143
1544
4188
5410
4684
1.04
1.04
1.04
0.190
0.190
6346
8573
23255
5410
4684
排放強度單位為(kgCO2/kWh)。
排量單位為（kg）。
表4歐盟幾個國家天然氣、電力價格，以及與電力相關的二氧化碳排放量[27,28]。
國家
天然氣價格($/kWh)
電力價格($/kWh)
排放強度
國家
天然氣價格($/kWh)
電力價格($/kWh)
排放強度
澳洲
0.08
0.27
0.239
拉脫維亞
0.05
0.15
0.443
比利時
0.08
0.28
0.311
立陶宛
0.06
0.17
0.307
賽福斯
N/A
0.27
0.974
盧森堡
0.07
0.25
0.307
捷克
0.07
0.19
0.922
荷蘭
0.10
0.25
0.419
丹麥
0.15
0.39
0.680
挪威
N/A
N/A
0.015
愛沙尼
0.05
0.14
1.015
波蘭
0.07
0.20
1.108
芬蘭
N/A
0.20
0.403
葡萄牙
0.09
0.24
0.630
法國
0.08
0.18
0.108
斯洛伐克
0.06
0.23
0.382
德國
0.08
0.35
0.626
斯洛尼亞
0.09
0.20
0.392
希臘
N/A
0.17
0.882
西班牙
0.07
0.26
0.493
匈牙利
0.07
0.22
0.695
瑞典
0.12
0.26
0.076
愛爾蘭
0.02
0.27
0.706
瑞士
N/A
N/A
0.041
意大利
0.10
0.27
0.565
英國
0.06
0.21
0.558
歐盟
0.08
0.23
0.486
該研究提供了一個在歐洲國家地源熱泵實施的一般概述。不同的國家之間，熱負荷有所差別，這項研究中引入了不同的表達詞匯。在對供熱要求較低的地區(qū)引入地源熱泵可能不夠經(jīng)濟，因為地源熱泵機組的初始投入是較大的。此外，在氣候較溫暖的地區(qū)，通過降低設備大小能使安裝地源熱泵的初始成本降低。地源熱泵設備的細節(jié)問題，要在深入研究分析歐洲特定國家的氣候情況下決定。
4.3 二氧化碳排放
該評估比較了不同供暖系統(tǒng)的二氧化碳排放量。盡管其它污染物的排放也是不可忽視的，但此處集中考慮二氧化碳的排放，因為它是最常見的溫室氣體而且被認為是影響氣候變化的重要因素[18]。地源熱泵不直接排放二氧化碳，排放源于生產電力的發(fā)電廠。當電力生產過程中二氧化碳的排放較高時，地源熱泵系統(tǒng)排放的二氧化碳也相應的增高。地源熱泵是否環(huán)保取決于地源熱泵所使用的電力生產過程中產生的二氧化碳，它的COP和其它供暖系統(tǒng)的效率[25]。
4.3.1 加拿大二氧化碳排放趨勢
加拿大地區(qū)二氧化碳排放情況的確定，考慮了設備消耗的電量或者天然氣的量和燃料排放強度（每kWh電力生產所產生的二氧化碳）。再次審視前面提到的三個省。假設天然氣成分是相同的阿爾伯塔省，安大略省和新斯科舍省，每單位氣體消耗時的排放量是固定的。每個省的平均排放強度使用碳監(jiān)測行動（CARMA）在線數(shù)據(jù)庫。
不同省份，各種供暖系統(tǒng)的二氧化碳氣體排放量列于表3。由于安大略省具有新一代低排放設備，超過50%的電力生產來源于核能，其余部分來源于火力發(fā)電廠和水力發(fā)電廠，應用地源熱泵有利于環(huán)保。在阿爾伯塔省和新斯科舍省超過80%的電力生產來自化石燃料，包括煤、天然氣發(fā)電廠[16]。相對高效率（95%）的天然氣鍋爐，當生產每kWh電力的排放強度小于0.76kg時，使用地源熱泵能夠降低二氧化碳排放[18]。一般情況下，如果地源熱泵使用的電力來源于環(huán)保的生產方式，地源熱泵相對于傳統(tǒng)的電加熱設備和天然氣燃燒設備能夠最大程度的降低排放。在電力生產時排放的二氧化碳較多的地區(qū)，使用度源熱泵系統(tǒng)所能帶來的減排有限。當應用可再生能源進行發(fā)電時，地源熱泵所產生的二氧化碳排放僅僅來源于運行過程，排量很小甚至接近于零。總體而言，地源熱泵通常提供
最大（或近乎最大）的排放量的減少。
4.3.2 歐洲二氧化碳排放趨勢
表4列出了歐盟不同國家電力生產過程中的二氧化碳排放強度。使用
與電力生產相關設施的碳排放門檻，由Dowlatabadi和Hanova確定[18]為0.76kg/kWh，由表可以看出，所列出的大多數(shù)國家使用地源熱泵取代傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)都能夠取得降低排放的效果。在一個國家內使用地源熱泵機組能顯著減少國家整體的二氧化碳排放量。例如，耦合地面地源熱泵連接當前英國電網(wǎng)，考慮到英國電網(wǎng)目前的發(fā)電組合，使用地源熱泵系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)能夠降低超過50%的二氧化碳排放[15]。
5 結論
地源熱泵是一種高效的供熱技術，能夠減少二氧化碳的排放量，潛在的避免了化石燃料的燃燒而且具備一定的經(jīng)濟性優(yōu)勢。對于加熱特定的建筑空間，相對于其它供熱方式，地源熱泵系統(tǒng)顯著的減少了能源的使用。隨著環(huán)境的變化，地源熱泵系統(tǒng)可以進行許多變化，而且在世界大部分地區(qū)適合使用地源熱泵。在選擇供熱模式時，考慮地源熱泵系統(tǒng)是非常重要的，如效率、排放量、經(jīng)濟性等方面。
參考文獻（見原文）
附件2：外文原文
溫州大學甌江學院
WENZHOU UNIVERSITY OUJIANG COLLEGE
本科畢業(yè)設計
文獻綜述
題 目
機器人筑砌磚墻專用泥漿泵設計
?！I(yè)
機械工程及其自動化
班 級
學生姓名
學 號
指導教師
職 稱
溫州大學甌江學院教務部制
一．前言
本課題涉及的泥漿泵，是指在筑砌磚墻過程中向墻磚上輸送泥漿或水等沖洗液的機械。泥漿泵是筑砌磚墻設備的重要組成部分。
在常用的正循環(huán)筑砌磚墻中﹐它是將地表沖洗介質──清水﹑泥漿或聚合物沖洗液在一定的壓力下，經(jīng)過高壓軟管﹑水龍頭及鉆桿柱中心孔直送鉆頭的底端，以達到冷卻鉆頭、將切削下來的巖屑清除并輸送到地表的目的。
常用的泥漿泵是活塞式或柱塞式的，由動力機帶動泵的曲軸回轉，曲軸通過十字頭再帶動活塞或柱塞在泵缸中做往復運動。在吸入和排出閥的交替作用下，實現(xiàn)壓送與循環(huán)沖洗液的目的。
泥漿泵是在筑砌磚墻過程中，向鉆孔輸送泥漿或水等沖洗液的機械。泥漿泵是筑砌磚墻機械設備的重要組成部分。它的主要作用是在鉆進過程中將泥漿隨鉆頭鉆進注入，起著冷卻鉆頭，清洗鉆具、固著井壁、驅動鉆進，并將打鉆后巖屑帶回地面的作用。在常用的正循環(huán)筑砌磚墻中﹐泥漿泵是將地表沖洗介質─清水﹑泥漿或聚合物沖洗液在一定的壓力下﹐經(jīng)過高壓軟管﹑水龍頭及鉆桿柱中心孔直送鉆頭的底端﹐以達到冷卻鉆頭﹑將切削下來的巖屑清除并輸送到地表的目的。常用的泥漿泵是活塞式或柱塞式的﹐由動力機帶動泵的曲軸回轉﹐曲軸通過十字頭再帶動活塞或柱塞在泵缸中做往復運動。在吸入和排出閥的交替作用下﹐實現(xiàn)壓送與循環(huán)沖洗液的目的。
二．泥漿泵概述
泥漿泵是在筑砌磚墻過程中，將泥漿加壓后攜帶出井底的巖屑和供給井底動力鉆具的動力，向井底輸送和循環(huán)筑砌磚墻液的往復泵。泥漿泵的主要作用是利用筑砌磚墻沖洗液（統(tǒng)稱泥漿）使井筒內外的循環(huán)，沖洗井底，冷卻鉆頭，并把巖屑攜帶到地面。在采用水力鉆具（如渦輪鉆具或螺桿鉆具）時，利用沖洗液傳遞能量，推動水力鉆具旋轉。采用噴射式鉆頭，由鉆頭水眼噴射出高速沖洗液，有利于破碎巖層，提高筑砌磚墻速度。為了實現(xiàn)高壓噴射筑砌磚墻，對筑砌磚墻泥漿泵提出了更高的要求，使用好、保養(yǎng)好泥漿泵的各部分，延長各個易損件的工作壽命，保證泥漿泵優(yōu)良的技術狀況，也是很重要的。由于石油礦場上使用往復泵的條件十分惡劣，提高其易損件（泵閥，活塞和缸套）的工作壽命，成為泥漿泵設計、制造和使用中迫切需要解決的問題。近幾年，為了加快筑砌磚墻速度，降低筑砌磚墻成本，延長鉆頭使用壽命，國內外在泥漿泵的理論和試驗研究、設計制造和選擇使用等方面做了許多工作，對筑砌磚墻泵進行了多次改型換代，各種新型筑砌磚墻泵也不斷研制成功。但其基本結構均未擺脫曲柄連桿機構的傳統(tǒng)方式，在結構上沒有根本變化，因而現(xiàn)有的筑砌磚墻泥漿泵不能完全滿足筑砌磚墻作業(yè)的需要，因而必須尋求具有更好工作性能和合理結構的筑砌磚墻泵以滿足石油勘探開發(fā)使用的要求。
隨著改革開放的深入及中國加入世貿組織，我國石油筑砌磚墻隊伍“充分利用國內外兩種資源、兩個市場”，實施走出去的戰(zhàn)略，進入國際筑砌磚墻市場，為了滿足參與國際市場的需要，中石油、中石化都在不斷加大筑砌磚墻設備的投入，同時加快老筑砌磚墻機的更新改造和新型輕便筑砌磚墻機研制步伐，隨著國際市場對筑砌磚墻泵的需求增大，使得筑砌磚墻泵的供求矛盾更加突出，各類型筑砌磚墻泵的缺口每年達200臺左右。
現(xiàn)如今國內外筑砌磚墻泥漿泵主要存在5方面的問題，即，筑砌磚墻泵質量大，制約鉆機的移運性，難以適應現(xiàn)代輕便鉆機的要求；沖程短，沖次高，筑砌磚墻泵在不合適的沖次范圍內工作，致使液力端壽命短；泵壓偏低，不能完全滿足現(xiàn)代筑砌磚墻工藝的需要；結構不合理，部分強度冗余，部分剛度不足，可靠性低，難以滿足筑砌磚墻機高可靠性要求；缸套壽命短，難以滿足鉆機高效率要求。因此，合理降低泵的沖次，適當增加泵的沖程長度，既滿足筑砌磚墻過程中的排量要求，又能確保泵的自吸性能，充分發(fā)揮了泵的功效，成為今后筑砌磚墻泵的設計方向。
三．泥漿泵的國內外概況及發(fā)展趨勢
我國的泥漿泵是從 1960 年代開始，由引進美國技術發(fā)展起來的。當前，我國生產石油筑砌磚墻泵的單位主要有寶雞石油機械有限公司、蘭州蘭石國民油井石油工程公司等單位，其生產的系列三缸泵己經(jīng)能基本滿足我國大部分油田筑砌磚墻的需要，并有部分出口。寶雞石油機械有限公司已有 40 多年設計和制造泥漿泵的歷史，生產的 F-500、F-800、F-1000 泵達到了美國 LTV 公司的技術要求，其特點為:無退刀槽人字齒輪傳動；合金鋼曲軸；可更換的十字頭導板；機架采用鋼板焊接件；中間拉桿盤根采用雙層密封結構，動力端采用強制潤滑和飛濺潤滑相結合的潤滑方式。F 系列三缸泵具有沖程長、沖次低的優(yōu)點。為了滿足油田高泵壓和大排量筑砌磚墻工藝的要求，寶雞石油機械有限公司還自行設計和制造了 F-1300、F-1600、F-1600HL、F-2200 和 F-22OOHL大功率高壓泥漿泵。蘭州蘭石國民油井石油工程公司是中美合資經(jīng)營企業(yè)，生產的泥漿泵主要有 P 系列、F 系列和 3NB 系列。其中的 3NB 系列泥漿泵具有以下特點: 動力端殼體為鋼板焊接結構，焊后消除內應力；動力端傳動齒輪為漸開線齒形；曲軸為空心的整體鑄件；動力端潤滑為飛濺潤滑；液力端吸入、排出法蘭符合 ANSI 和 API 規(guī)范；活塞桿與介桿間采用卡箍連接；閥腔孔的底部帶有臺階，防止閥座下沉；活塞和缸套由一個獨立的噴淋泵裝置冷卻和潤滑。該公司生產的 3NB 系列三缸泵符合 API 規(guī)范，功率從5OOHP 到 1600HP，廣泛用于各大油田。
目前，世界各國都在大量研究和使用三缸單作用泥漿泵，并且都是朝著大功率、長沖程、大缸徑、高泵壓的技術方向發(fā)展。國外對筑砌磚墻泵的研究早、技術精、產品系列齊全，尤其以美國的技術最為先進，俄羅斯和羅馬尼亞次之。
隨著筑砌磚墻技術的發(fā)展,特別是高壓噴射筑砌磚墻、近平衡筑砌磚墻、叢式定向井、水平井等新工藝、新技術的不斷進步,對筑砌磚墻泥漿泵的工作性能要求越來越高。目前，筑砌磚墻泵正朝著大功率、大排量和高壓力的方向發(fā)展。
四．參考文獻
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