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地源熱泵系統(tǒng)及其應用

引言  
　　熱泵技術是在高位能的拖動下，將熱量從低位熱源流向高位熱源的技術。它可以把不能直接利用的低品位熱能(如空氣、土壤、水、太陽能、工業(yè)廢熱等)轉(zhuǎn)化為可利用的高位能，從而達到節(jié)約部分高位能(煤、石油、天然氣、電能等)的目的。利用低位能的熱泵技術可以節(jié)約燃料，合理利用能源，減輕環(huán)境污染。作為一條節(jié)能與環(huán)保并重的途徑，熱泵技術在礦物能源日益緊張的當今世界，已引起人們的興趣和重視。地源熱泵是利用地下能源的熱泵系統(tǒng)，這是它與水一空氣源熱泵以及空氣熱泵的最主要區(qū)別。冬季通過熱泵將大地中的低品位熱能提高品位對建筑供暖，同時蓄存冷量以備夏季使用；夏季通過熱泵將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下，對建筑物進行供冷，同時蓄存熱量以備冬季使用。
　　1 地源熱泵系統(tǒng)的分類及特點
　　典型的地源熱泵系統(tǒng)主要由壓縮機、水一制冷劑熱交換器、水泵、制冷劑一水(或制冷劑一空氣)熱交換器、節(jié)流裝置和電氣控制設備等組成。傳統(tǒng)的地源熱泵系統(tǒng)采用較多的是U型豎埋管換熱器。根據(jù)埋管深度分為淺層(<30m)、中層(30—100m)、深層(>lOOm)三類。地下蓄能系統(tǒng)的埋管較靈活，可布置在草坪、花園、農(nóng)田下面或湖泊、水池內(nèi)，可布置在土壤、巖石或地下水層內(nèi)，也可在混凝土樁內(nèi)埋管。根據(jù)利用熱源的種類和方式不同，可分為以下三類：地下水熱泵、地表水熱泵、土壤源熱泵或稱土壤耦合熱泵。
　　1．1 地下水熱泵系統(tǒng)
　　目前在民用中已經(jīng)很少使用，主要應用在商業(yè)建筑中。最常用的系統(tǒng)形式是采用水一水式板式換熱器，一側(cè)走地下水，一側(cè)走熱泵機組冷卻水。早期的地下水系統(tǒng)采用的是單井系統(tǒng)，即將地下水經(jīng)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(zhì)災害。于是產(chǎn)生了雙井系統(tǒng)，一個井抽水，一個井回灌。地下水熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢是造價比土壤源熱泵系統(tǒng)低。另外水井也很緊湊，不占什么場地，技術也相對比較成熟，水井承包商也容易找。其劣勢在于：(1)有些地方法規(guī)禁止抽取或回灌地下水；(2)可供的地下水有限；(3)如水質(zhì)不好或打井不合格要注意水處理，控制不良或水井與建筑偏遠，泵耗能就會過大。
　　1．2 地表水熱泵系統(tǒng)
　　地表水熱泵系統(tǒng)主要有開路和閉路系統(tǒng)。在寒冷地區(qū)，開路系統(tǒng)并不適用，只能采用閉路系統(tǒng)。地表水熱泵系統(tǒng)具有相對造價低，泵耗能低，維修率低以及運行費用少等優(yōu)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(fā)生較大的變化，這就會產(chǎn)生效率降低，制冷或供熱能力降低的后果。
　　1．3 土壤源熱泵
　　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。系統(tǒng)主機通常采用水一水式或水一氣式熱泵機組。
　　1．3．1 按地下埋管形式可分為水平埋管、垂直埋管和蛇形埋管
　　(1)水平埋管熱泵系統(tǒng)。現(xiàn)在歐洲普遍使用的此類系統(tǒng)多只用于采暖。水平埋管系統(tǒng)有單層和雙層兩種形式，可采用u形、蛇形、單槽單管、單槽多管等形式。
　　(2)垂直埋管熱泵系統(tǒng)有淺埋和深埋兩種。在垂直埋管系統(tǒng)中，管道深入地下，土壤熱特性不會受地表溫度影響，因此能確保冬季散熱與夏季得熱間土壤的熱平衡。平衡的方法可以采用集熱器，在夏季集中熱量并送入地下加熱土壤，或使熱泵反轉(zhuǎn)在夏季為土壤加熱，以備冬季之用。集熱設備一般采用太陽能和風能集熱，此類設備具有高蓄熱能力、溫升能力。垂直埋管熱泵系統(tǒng)較水平系統(tǒng)有許多優(yōu)點：占地面積小，土壤的溫度和熱特性變化小，需要的管材少，泵耗能低，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。
　　(3)蛇行埋管換熱器比較適用于場地有限又較經(jīng)濟的情況下。雖然挖掘量只有單管水平埋管換熱器的20％一30％，但是用管量會明顯增加。這種方式優(yōu)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。
　　1．3．2 按有無中間流體分類
　　土壤源熱泵分為二次流體地耦熱泵，即在制冷劑和大地之間存在一種中間流體，多為水、鹽水或乙二醇溶液；另一種用得較少是直接膨脹式地耦熱泵系統(tǒng)，即利用大量制冷劑直接在地下盤管內(nèi)與環(huán)境進行熱交換。
　　1．3．3 按與土壤換熱管道材料分類
　　現(xiàn)在用于土壤系統(tǒng)的管道材料多采用熱熔性塑料，包括聚乙烯管、聚丁烯管和聚氯乙烯管(PVC)。由于高密度聚乙烯具有高強度和抗腐蝕能力，所以選用這一類柔性材料作為地下埋管換熱材料的土壤源熱泵系統(tǒng)壽命可長達5O年之久。
　　1．3．4 土壤源熱泵系統(tǒng)性能的影響因素
　　(1)4-壤的溫度是影響土壤源熱泵系統(tǒng)的主要因素。熱泵的效率主要取決于建筑物室內(nèi)與室外溫度差，該溫度差減少則熱泵效率就可以提高。(2)土壤特性對土壤源熱泵系統(tǒng)的影響，土壤的類型、熱特性、熱傳導性、密度、濕度等也是影響系統(tǒng)性能的主要因素。
　　1．3．5 土壤源熱泵的特點
　　(1)大幅度節(jié)約能源，輔助動力少。評價土壤源熱泵系統(tǒng)性能的參數(shù)之一是輔助動力的容量，它是系統(tǒng)經(jīng)濟性分析的重要因素。地下埋管系統(tǒng)的熱泵及室內(nèi)水環(huán)路系統(tǒng)同水一空氣、水一水等熱泵系統(tǒng)相似，但其室外設備不再需要其它能量，諸如冷卻塔，僅設置管道泵作為水在盤管中的循環(huán)動力。水流速度是決定泵容量的最主要因素。為了保證充分地熱交換和地下管道的水力平衡，地下埋管系統(tǒng)嚴格控制臨界速度，因為水流處于層流狀態(tài)，傳熱會惡化，甚至由于水流速度慢會出現(xiàn)氣塞現(xiàn)象，造成水力不平衡。而在紊流狀態(tài)下再增加流速不會對傳熱帶來多大改善，因為此時熱阻主要是由土壤和管道熱阻造成的，水的熱阻相對來說很小，此時增加流速只會增加泵的容量。一般來說，一個好的水平埋管系統(tǒng)循環(huán)泵的輸入功率只為整個系統(tǒng)的5％-7％。
　　(2)運行管理方便，運行狀況好。土壤源熱泵另一個優(yōu)點是對設備的維護要求不高。這種系統(tǒng)減少了室外的許多運轉(zhuǎn)設備，不需冷卻塔，鍋爐等要經(jīng)常維護的設備。另外對熱泵系統(tǒng)來說，為了解決結霜問題，不得不采用換向閥、電加熱等方式間歇地為熱泵除霜。融霜后的突然啟動對熱泵壓縮機最危險。而土壤源熱泵系統(tǒng)與大地進行換熱，大地的溫度保證了它不會結霜，也就沒有融霜循環(huán)。運轉(zhuǎn)部件少則系統(tǒng)噪音小，這很適用于對噪音有要求的住宅、醫(yī)院等地區(qū)。
　　2 地源熱泵應用過程中的不利因素
　　雖然地源熱泵系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，已經(jīng)成功的應用在商用建筑和公共事業(yè)中，但是在地源熱泵的設計開發(fā)和安裝過程中仍然存在著許多問題需要解決。(1)冷天氣問題。該類問題主要與冬季惡劣的天氣有關。通常指在異常寒冷天氣工況下系統(tǒng)中某一獨立熱泵單元跳閘或整個系統(tǒng)執(zhí)行自動保護的現(xiàn)象。其它的故障包括由于未保護水管造成水管凍結、凍破或綜合建筑物內(nèi)部管路的損壞．或供暖無效引發(fā)的室內(nèi)舒適性問題。(2)舒適性欠佳。這類問題的原因包括系統(tǒng)沒有足夠的供， 冷、供熱能力滿足建筑物冷、熱負荷的需求，這可能與地熱設備容量偏小、建筑物的密封性不佳、室內(nèi)空氣分布系統(tǒng)設計不合理有關。(3)設備故障及系統(tǒng)頻繁地執(zhí)行自動保護功能。(4)泄漏。對水— — 水地源熱泵系統(tǒng)，存在源側(cè)或源側(cè)與負荷側(cè)的水泄漏。發(fā)生的部位可能會出現(xiàn)在地下的集管、回路，供回水井的配件，分布在建筑物內(nèi)的管路、配件、機械裝置，也有個別建筑物出現(xiàn)內(nèi)部水漬情況，這與泄漏的位置有關。(5)噪聲。如果系統(tǒng)設計時沒有考慮系統(tǒng)運行的噪聲水平是否符合建筑物的使用標準，那么空氣噪聲和水流噪聲都可能會出現(xiàn)問題。(6)運行費用。地源熱泵系統(tǒng)的主要運行費用包括用電費用、維修費用和管理費用。通常系統(tǒng)運行時的主要問題是實際費用超過設計階段時的預計費用。(7)回水井溢出或堵塞及設備運行不合理。
　　3 限制地源熱泵廣泛應用的因素
　　(1)用戶的接受程度和滿意度�？諝庠礋岜煤腿細狻⑷济汗峒夹g比較成熟，應用較為廣泛，與地源熱泵系統(tǒng)相比具有很大的競爭力。(2)地源熱泵技術涉及暖通空調(diào)技術、地質(zhì)技術和鉆井技術等多方面的知識。這樣對工程人員的知識面和施工經(jīng)驗有較高的要求．因此加強對技術人員的培訓顯得非常重要。(3)對生態(tài)環(huán)境影響的分析與監(jiān)督。地下水回灌技術的的不完善會造成地下水資源的浪費，某些制冷劑、冷凍液、防銹劑和填料會造成水資源或土壤資源、地表植被的污染或破壞。如何防范還有待深入研究。(4)目前國內(nèi)關于地源熱泵系統(tǒng)的性能評價標準還不是很完善，地源熱泵系統(tǒng)的性能分析測試和比較不規(guī)范，因此需要建立有效的評價標準。(5)地源熱泵系統(tǒng)在不同地域的適用性和性能穩(wěn)定性的問題。各地的地質(zhì)結構相差很大，造成埋地盤管與土壤間的換熱系數(shù)差別很大。這樣造成系統(tǒng)的初投資成本的波動問題。
　　4 應用前景展望
　　雖然地源熱泵有許多缺點，有關地源熱泵的研究仍有大量工作要做，但是由于地源熱泵突出的節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點，21世紀，能源供應更加緊張，2004年北京、上海、廣州等地又提高了建筑節(jié)能標準，應用前景十分廣闊。特別是我國幅員遼闊，大部分地區(qū)位于溫帶，而長江中下游地區(qū)七月氣溫比同緯度其他地區(qū)一般高出2℃左右，同時這個地區(qū)水網(wǎng)地帶多，十分潮濕，濕度常保持在80％左右；而一月的氣溫比同緯度其他地區(qū)一般要低8-10~C，而濕度又高達到73％～83％，陰冷寒涼。然而由于長江中下游地區(qū)是傳統(tǒng)上的非采暖地區(qū)，居住建筑缺乏節(jié)l}計標準建筑圍護結構的保溫隔熱性能要比采暖地區(qū)差得多，夏季通常采用風冷空調(diào)來供冷，冬天借助于高位能的電來采暖。因此，該地區(qū)的能量使用效率相當?shù)停紤]到該地區(qū)夏季供冷天數(shù)和冬季供熱天數(shù)相當，地源熱泵系統(tǒng)可以充分發(fā)揮地下蓄能的特點，用最少的能耗獲得最大的效益。