地源熱泵系統(tǒng)的工作原理和特點及應(yīng)用

申 潔

0 引言

目前,對資源的循環(huán)利用、節(jié)能、綠色、環(huán)保已被國家放在經(jīng)濟發(fā)展的核心位置,國家建設(shè)部提出各地在建設(shè)領(lǐng)域可再生能源利用方面要重點抓好的六方面工作中,第二項就是地源熱泵、水源熱泵在建筑中的推廣應(yīng)用。地源熱泵作為一種有益環(huán)境、節(jié)約能源和經(jīng)濟可行的建筑物供暖及制冷新技術(shù)越來越受到關(guān)注,推廣應(yīng)用迅速展開。

1 地源熱泵系統(tǒng)的定義、工作原理

1.1 地源熱泵系統(tǒng)的定義

地源熱泵系統(tǒng)是以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩?由水源熱泵機組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)是一個廣義的術(shù)語,它包括了使用土壤、地下水和地表水作為熱源和冷源的系統(tǒng)。

1.2 地源熱泵系統(tǒng)的工作原理

1.2.1 制冷原理

在制冷狀態(tài)下,地源熱泵機組內(nèi)的壓縮機對冷媒做功,使其進行汽—液轉(zhuǎn)化的循環(huán)。通過冷媒/空氣熱交換器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)將室內(nèi)空氣循環(huán)所攜帶的熱量吸收至冷媒中,在冷媒循環(huán)的同時再通過冷媒/水熱交換器內(nèi)冷媒的冷凝,由水路循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收,最終由水路循環(huán)轉(zhuǎn)移至地下水或土壤里。在室內(nèi)熱量不斷轉(zhuǎn)移至地下的過程中,通過冷媒—空氣熱交換器,以13℃以下的冷風(fēng)形式向室內(nèi)供冷。

1.2.2 制熱原理

在制熱狀態(tài)下,地源熱泵機組內(nèi)的壓縮機對冷媒做功,并通過四通閥將冷媒流動方向換向。由地下的水路循環(huán)吸收地下水或土壤里的熱量,通過冷媒/水熱交換器內(nèi)冷媒的蒸發(fā),將水路循環(huán)中的熱量吸收至冷媒中,在冷媒循環(huán)的同時再通過冷媒/空氣熱交換器內(nèi)冷媒的冷凝,由空氣循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收。在地下的熱量不斷轉(zhuǎn)移至室內(nèi)的過程中,以35℃以上熱風(fēng)的形式向室內(nèi)供暖。

2 地源熱泵系統(tǒng)的分類及各自的優(yōu)缺點

2.1 地埋管地源熱泵系統(tǒng)

地埋管地源熱泵系統(tǒng),也稱地耦合熱泵系統(tǒng)、土壤源地源熱泵系統(tǒng),分為水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)和垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)。這一閉式系統(tǒng)方式,通過中間介質(zhì)(通常為水或者是加入防凍劑的水)作為熱載體,使中間介質(zhì)在埋于土壤內(nèi)部的封閉環(huán)路中循環(huán)流動,從而實現(xiàn)與大地土壤進行熱交換的目的。

對于垂直式埋管系統(tǒng),其優(yōu)點有:較小的土地占用,管路及水泵用電少,其缺點是鉆井費用較高;對于水平式埋管系統(tǒng),其優(yōu)點有:安裝費用比垂直式埋管系統(tǒng)低,應(yīng)用廣泛,使用者易于掌握;其缺點有:占地面積大,受地面溫度影響大,水泵耗電量大。

2.2 地下水熱泵系統(tǒng)

地下水熱泵系統(tǒng),也就是通常所說的深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)。通過建造抽水井群將地下水抽出,通過二次換熱或直接送至水源熱泵機組,經(jīng)提取熱量或釋放熱量后,由回灌井群灌回地下。

其最大優(yōu)點是非常經(jīng)濟,占地面積小,但要注意必須符合下列條件:水質(zhì)良好;水量豐富;回灌可靠;符合標準。

2.3 地表水熱泵系統(tǒng)

地表水熱泵系統(tǒng),通過直接抽取或者間接換熱的方式,利用包括江水、河水、湖水、水庫水以及海水作為熱泵冷熱源。

其優(yōu)點有:在10 m或更深的湖中,可提供10℃的冷風(fēng)直接制冷,比地下埋管系統(tǒng)投資要小,水泵能耗較低,高可靠性,低維修要求,低運行費用,在溫暖地區(qū),湖水可做熱源;其缺點有:在淺水湖中,盤管容易被破壞,由于水溫變化較大,會降低機組的效率。

3 地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用

1)節(jié)能、高效性。地源熱泵系統(tǒng)在提供100單位能量的時候,70%的能量來源于土壤,30%的能量來自電力,電能的消耗主要用于壓縮機的做功和使空調(diào)系統(tǒng)運行,即將土壤中的熱量“搬運”至室內(nèi)。它要比電鍋爐加熱節(jié)省2/3以上的電能,比燃料鍋爐節(jié)省1/2以上的能量。由于土壤的溫度全年較為穩(wěn)定,一般為10℃～20℃之間,其制冷、制熱系數(shù)可達 3.5～4.7,與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比,能效要高出40%以上。2)環(huán)保無污染。地源熱泵的污染物排放,與空氣源熱泵相比,相當(dāng)于減少40%以上,與電供暖相比,相當(dāng)于減少70%以上,如果結(jié)合其他節(jié)能措施節(jié)能減排效果會更明顯。雖然也采用制冷劑,但比常規(guī)空調(diào)裝置減少25%的充灌量;屬自含式系統(tǒng),即該裝置能在工廠車間內(nèi)事先整裝密封好,因此,制冷劑泄漏幾率大為減少。該裝置的運行沒有任何污染,可以建造在居民區(qū)內(nèi)。3)屬可再生能源利用技術(shù)。地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源(通常小于400 m深)作為冷熱源進行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器,收集了47%的太陽能量,比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制,真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源,使得地能也成為清潔的可再生能源的一種形式。4)低運行費用。地源熱泵系統(tǒng)的高效節(jié)能特點,決定了它的低運行費用,比其他各種采暖和制冷設(shè)備節(jié)能30%～70%。使用壽命25年以上,折舊費和維修費也都大大低于傳統(tǒng)空調(diào)。5)應(yīng)用靈活、安全可靠、用途廣泛。地源熱泵系統(tǒng)靈活性強,可用于新建工程或擴建、改建工程,可逐步分期施工,熱泵機組可靈活地安置在任何地方,節(jié)約空間。無儲煤、儲油罐等衛(wèi)生及安全隱患。從嚴寒地區(qū)至熱帶地區(qū)均適用。可為各類建筑物提供冷暖兩用空調(diào)系統(tǒng),同時提供生活熱水。

4 地源熱泵系統(tǒng)在應(yīng)用中存在的問題

1)地埋管地源熱泵系統(tǒng)。地埋管地源熱泵系統(tǒng)在冬季供熱過程中,載熱介質(zhì)從地下收集熱量,再通過系統(tǒng)把熱量帶到室內(nèi)。夏季制冷時系統(tǒng)逆向運行,即從室內(nèi)帶走熱量,再通過系統(tǒng)將熱量送到地下巖土中。但這種地源熱泵系統(tǒng)對土壤換熱器的材質(zhì)及地質(zhì)結(jié)構(gòu)的要求比較高,同時埋設(shè)換熱器需要較大的場地,系統(tǒng)投資也較其他方式要高,所以這種系統(tǒng)一般應(yīng)用于面積比較小的居住類單體建筑,在大型工程中應(yīng)用相對困難。

2)地下水熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性與地下水層的深度有很大的關(guān)系。如果地下水位較低,不僅成井的費用增加,運行中水泵的耗電將大大降低系統(tǒng)的效率。此外,雖然理論上抽取的地下水將回灌到地下水層,但目前國內(nèi)地下水回灌技術(shù)還不成熟,在很多地質(zhì)條件下回灌的速度大大低于抽水的速度,從地下抽出來的水經(jīng)過換熱器后很難再被全部回灌到含水層內(nèi),造成地下水資源的流失。從有關(guān)調(diào)查來看,地下水熱泵工程真正成功的并不多。原因在于要實現(xiàn)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(wěn)定運行,并不容易做到。同時,還出現(xiàn)了大量不進行回灌的熱泵工程,更有甚者,出現(xiàn)了直接利用地下水通入風(fēng)機盤管內(nèi)進行空調(diào)。這樣做既污染水體又浪費水資源。

3)地表水熱泵系統(tǒng)。這種地表水熱泵系統(tǒng)也受到自然條件的限制。此外,由于地表水溫度受氣候的影響較大,與空氣源熱泵類似,當(dāng)環(huán)境溫度越低時熱泵的供熱量越小,而且熱泵的性能系數(shù)也會降低。一定的地表水體能夠承擔(dān)的冷熱負荷與其面積、深度和溫度等多種因素有關(guān),需要根據(jù)具體情況進行計算。這種熱泵的換熱對水體中生態(tài)環(huán)境的影響有時也需要預(yù)先加以考慮。

5 地源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展前景

地源熱泵系統(tǒng)由于采用的是可再生的地?zé)崮?因此被稱之為一項以節(jié)能和環(huán)保為特征的21世紀的技術(shù)。隨著地源熱泵工程技術(shù)改進和規(guī)范化,存在著巨大的潛在的市場。我國面臨嚴峻的能源形勢,國家總的能源政策還是節(jié)能與新能源開發(fā)、再生能源利用并重,因此,地源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用在我國具有極大的現(xiàn)實意義和廣闊的發(fā)展前景。

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[3]談建平.淺談地源熱泵技術(shù)在建筑工程中的運用[J].山西建筑,2008,34(21):153-154.