淺析地源熱泵中央空調系統

任成文

[摘要]隨著我國黨和政府把節約能源和環境保護作為可持續發展戰略的重要內容,從2000年開始,地源熱泵系統越來越多的被各房地產商所關注和應用。介紹地源熱泵的三種類型及其對比分析,著重論述開發土壤源熱泵的優勢。

[關鍵詞]傳統中央空調系統地源熱泵中央空調系統土壤源熱泵地下水熱泵地表水熱泵類型對比及分析

中圖分類號:TM5文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0710115-01

一、地源熱泵中央空調系統的定義

所謂地源熱泵中央空調系統就是把傳統空調器中的冷凝器直接埋入地下,利用淺層地熱資源(也稱地能,包括地下水、地表水或土壤等)的既可供熱又可制冷還可提供生活熱水的高效節能空調系統。

二、地源熱泵中央空調系統的分類及其各自特點

地源熱泵中央空調系統根據其利用地熱源的種類和方式不同可以分為以下三類:土壤源熱泵(GCHP),地下水熱泵(GWHP),地表水熱泵(SWHP)。

(一)土壤源熱泵系統

土壤源熱泵以大地作為熱源,熱泵的換熱器埋于地下,與大地進行冷熱交換。根據地下熱交換器的布置形式,土壤源熱泵分為垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三類。其換熱管常采用高密度聚乙烯塑料管,使用壽命長達50年。垂直埋管換熱器通常采用的是U型方式,按其埋管深度可分為淺層(<30m),中層(30～100m)和深層(>100m)三種。埋管深,地下巖土溫度比較穩定,鉆孔占地面積較少,但相應會帶來鉆孔、鉆孔設備的經費和高承壓埋管的造價提高。總的來說,垂直埋管換熱器熱泵系統優勢在于:(1)占地面積小;(2)土壤的溫度和熱特性變化小;(3)需要的管材最少,泵耗能低;(4)能效比很高。而劣勢主要在于:由于相應的施工設備和施工人員的缺乏,造價偏高。

水平埋管換熱器有單管和多管兩種形式。其中單管水平換熱器占地面積最大,雖然多管水平埋管換熱器占地面積有所減少,但管長應相應增加來補償相鄰管間的熱干擾。水平埋管造價就可以減下來。水平埋管換熱器系統的劣勢在于:運行性能上不穩定(由于淺層大地的溫度和熱特性隨著季節、降雨以及埋深而變化);泵耗能較高;系統效率降低。

蛇行埋管換熱器比較適用于場地有限又較經濟的情況下。雖然挖掘量只有單管水平埋管換熱器20%～30%,但是用管量會明顯增加。這種方式優缺點類似于水平埋管換熱器,所以有的文獻將其歸入水平埋管換熱器。

1995年國際地熱學術會上,英國學者Curtis代表國際地熱組織發表了一篇關于應用土壤源熱泵系統的調查報告,其總結性的結論為:(1)土壤源熱泵系統是世界能源市場的成熟技術之一,與現存的電供熱/電制冷技術相比具有穩定性能好、可靠性高、花費更少的優勢;(2)土壤源熱泵系統經濟上與燃油和燃氣鍋爐不相上下;(3)如果考慮到包括環境效益、能源保障和長期利用在內,土壤源熱泵系統是最好、技術含量最高的替代產品。

(二)地下水熱泵系統

在土壤源熱泵得到發展以前,最常用的地源熱泵系統是地下水熱泵系統。最常用的系統形式采用水水式板式換熱器,一側走地下水,一側走熱泵機組冷卻水。早期的地下水系統采用的是單井系統,即將地下水經過板式換熱器后直接排放。這樣做,一則浪費地下水資源,二則容易造成地層塌陷,引起地質災害。于是產生了雙井系統,一個井抽水,一個井回灌。但需要實現100%的回灌,并回灌到同一含水層,不污染地下水,且能長時間穩定運行,這并不容易做到。

地下水熱泵系統的優勢是造價要比土壤源熱泵系統低,另外水井緊湊,不占什么場地,技術也相對比較成熟。其劣勢就在于:(1)有些地方法規禁止抽取或回灌地下水;(2)可供的地下水有限;(3)如水質不好或打井不合格要注意水處理;(4)如泵選擇過大、控制不良或水井與建筑偏遠,泵耗能就會過大。

(三)地表水熱泵系統

地表水熱泵系統主要有開路和閉路系統。在寒冷地區,開路系統并不適用,只能采用閉路系統。總的來說,地表水熱泵系統具有相對造價低廉、泵耗能低、維修率低以及運行費用少等優點。但是,在公共用的河中,管道或水中的其他設備容易受到損害。另外,如果湖泊過小或過淺,湖泊的溫度會隨著室外氣候發生較大的變化,這就會產生效率降低,制冷或供熱能力降低的后果。

三、地源熱泵幾種類型的對比分析,確定開發土壤源熱泵的方向

四、結論

通過以上類型對比分析,埋管式地源熱泵是最適合我國的,雖然其他兩種類型也有其固有的優點,但就我國的軟硬件條件來看,還是存在一定的不合理和不可執行性,不宜在我國廣泛推廣。

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