地源熱泵節(jié)能分析
【摘 要】在建筑供熱空調(diào)中采用熱泵技術(shù)可以有效地提高一次能源利用率。本文闡述了利用地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的原理，并結(jié)合工程實(shí)例對地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性進(jìn)行實(shí)際分析。
【關(guān)鍵詞】地源熱泵；建筑環(huán)境；節(jié)能
1 地源熱泵原理與組成
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，公共建筑和住宅的供熱和空調(diào)已成為普遍的需求。在發(fā)達(dá)國家中，建筑能源耗費(fèi)量大約占總能耗的三分之一，其中供熱和空調(diào)的能耗可占到建筑能耗的65%。在全球能源形勢日趨緊張的今天，空調(diào)節(jié)能變得尤其重要。而且大量燃燒礦物燃料所產(chǎn)生的環(huán)境問題也已成為各國政府和公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，除了集中供熱以外，急需發(fā)展其他的替代供熱方式。地源熱泵就是能有效節(jié)省能源、減少大氣污染的供熱和空調(diào)新技術(shù)。
地源熱泵是利用大地（土壤、地層、地下水）作為熱源。地源熱泵系統(tǒng)一般由地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)房系統(tǒng)和建筑內(nèi)末端散熱系統(tǒng)三部分組成。其中，地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)可以說是地源熱泵與其它傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)唯一和最大的區(qū)別。
地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)流程參見圖1。
2 地源熱泵分類
以建筑物的空調(diào)（包括供熱和制冷）為目的的熱泵系統(tǒng)有許多種。就性質(zhì)來分，通常可分為空氣源熱泵和地源熱泵兩大類。地源熱泵又可進(jìn)一步分為地表水熱泵、地下水熱泵和地下耦合熱泵。下面主要就地源熱泵做詳細(xì)介紹。
2.1 地下水熱泵
地下水源熱泵系統(tǒng)的熱源是從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。經(jīng)過換熱的地下水可以排入地表水系統(tǒng)，但對于較大的應(yīng)用項(xiàng)目通常要求通過回灌井把地下水回灌到原來的地下水層。水質(zhì)良好的地下水可直接進(jìn)入熱泵換熱，這樣的系統(tǒng)稱為開式環(huán)路。實(shí)際中更多采用閉式環(huán)路的熱泵循環(huán)水系統(tǒng)，即采用板式換熱器把地下水和通過熱泵的循環(huán)水分隔開，以防止地下水中的泥沙和腐蝕性雜質(zhì)對熱泵的影響。由于地下水溫常年基本恒定，夏季比室外空氣溫度低，冬季比室外空氣溫度高，且具有較大的熱容量，因此地下水熱泵系統(tǒng)效率比空氣源熱泵高，COP值一般在3-4.5，并且不存在結(jié)霜等問題。最近幾年地下水源熱泵系統(tǒng)在我國得到了迅速發(fā)展。
2.2 地表水熱泵
地表水熱泵系統(tǒng)的一個熱源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大體量自然水體的地方利用這些自然水體作為熱泵的低溫?zé)嵩词侵档每紤]的一種空調(diào)熱泵的形式。熱泵與地表水的換熱可采用開式循環(huán)或閉路循環(huán)的形式。開式循環(huán)是用水泵抽取地表水在換熱器中與熱泵的循環(huán)液換熱后再排入水體。其缺點(diǎn)是水質(zhì)較差時在換熱器中產(chǎn)生污垢，影響傳熱，甚至影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。更常用的地表水熱泵系統(tǒng)采用閉路循環(huán)，即把多組塑料盤管沉入水體中，熱泵的循環(huán)液通過盤管與水體換熱，可以避免水質(zhì)不良引起的污垢和腐蝕問題。當(dāng)然，這種地表水熱泵系統(tǒng)也受到自然條件的限制。
2.3 地下耦合熱泵
地下耦合熱泵系統(tǒng)是利用地下巖土中熱量的閉路循環(huán)的地源熱泵系統(tǒng)。通常稱之為“閉路地源熱泵”，以區(qū)別于地下水熱泵系統(tǒng)，或直接稱為“地源熱泵”。它通過循環(huán)液（水或以水為主要成分的防凍液）在封閉地下埋管中的流動，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的傳熱。地下耦合熱泵系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是有一個由地下埋管組成的地?zé)釗Q熱器。地?zé)釗Q熱器的設(shè)置形式主要有水平埋管和豎直埋管兩種。水平埋管形式是在地面開1-2米深的溝，每個溝中埋設(shè)2、4或6根塑料管。豎直埋管的形式是在地層中鉆直徑為0.1-0.15 m的鉆孔，在鉆孔中設(shè)置1組（2根）或2組（4根）U型管并用灌井材料填實(shí)。鉆孔的深度通常為40-200 m�，F(xiàn)場可用的地表面積是選擇地?zé)釗Q熱器形式的決定性因素。豎直埋管的地?zé)釗Q熱器可以比水平埋管節(jié)省很多土地面積，因此更適合中國地少人多的國情。
3 地源熱泵的節(jié)能原理
由于較深的地層中在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠(yuǎn)高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度，因此地源熱泵在冬季可以把大地中的熱量升高溫度后對建筑供熱，同時使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這樣在地源熱泵系統(tǒng)中大地起到了蓄能器的作用，進(jìn)一步提高了空調(diào)系統(tǒng)全年的能源利用效率。
在能源形勢日趨緊張的今天，地源熱泵技術(shù)具有極大地推廣價值，原因就在于地下有替代一次性能源（煤、石油、天然氣等）的巨大資源。地源熱泵的性能系數(shù)（COP）通常大于4，即地源熱泵每輸入1kW的電能，能輸出4kW的冷熱能量，扣除過程損耗因素，性能系數(shù)仍然在3.5以上，其高效的原因在于借助了3kW的地?zé)崮茉�，比燒煤、燒油、用電的效率高出很多。地源熱泵系統(tǒng)即使把電廠污染也算到熱泵頭上，總體看也非常節(jié)能。另外，通過與傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)的對比也可以看出地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性。
3.1 夏季制冷時
由于傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)是通過冷卻水（冷卻塔）與大氣進(jìn)行能量交換來釋放制冷機(jī)組制冷所釋放的熱量；而地源熱泵系統(tǒng)是通過水與溫度穩(wěn)定的地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)（土壤、地下水、地表水）進(jìn)行能量交換來釋放水源熱泵機(jī)組制冷所產(chǎn)生的熱量。眾所周知，進(jìn)行能量交換的兩種物質(zhì)的溫差越大，交換效果越好，而溫度穩(wěn)定的地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)（土壤、地下水、地表水）與水之間的溫差明顯要大于大氣與水之間的溫差，所以地源熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)提取能量時能耗低，效率高。從夏季制冷上來說，其性能系數(shù)（COP值）比普通家用空調(diào)效率高一倍以上，比大型中央空調(diào)高20%以上。
3.2 冬季供暖時
傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)最終是以市政熱力、燃煤或直接用電作為熱源。經(jīng)計算，地源熱泵的性能系數(shù)（COP值）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于直接燃煤的0.7制熱系數(shù)和直接用電供暖的1.0左右的制熱系數(shù)。如果將地源熱泵所耗電能還原為煤，與傳統(tǒng)的鍋爐供暖比較，可直接節(jié)約燃煤30%以上。
4 地源熱泵技術(shù)應(yīng)用工程實(shí)例
4.1 工程項(xiàng)目簡介
天津市某工程采用地源熱泵系統(tǒng)形式，該工程建筑面積78500平方米。共分A、B、C、D、E5個區(qū)，地上六層，地下一層，其中A區(qū)為4層，B區(qū)為3層，C、D、E區(qū)均為6層。
該工程總冷負(fù)荷為5423kW，總熱負(fù)荷為4070kW。生活熱水負(fù)荷為1200kW，生活熱水用量225立方米/天。利用地源熱泵系統(tǒng)作為空調(diào)的冷熱源同時提供生活熱水。
地下?lián)Q熱器的數(shù)量：本工程共布置846個地下?lián)Q熱器；
地下?lián)Q熱器的形式：雙U型，豎直埋設(shè)，矩形布置，平均間距5m，有效深度120m；
地下?lián)Q熱器的管材：本工程地下?lián)Q熱器的管材選擇高密度聚乙烯PE管，豎直埋管承壓1.6MPa，水平埋管承壓1.0MPa；
該工程于2008年4月投入使用，目前已經(jīng)歷了多個制冷季及采暖季。
4.2 項(xiàng)目測試數(shù)據(jù)
該工程設(shè)計施工初期已預(yù)留了數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，對制冷、供暖季的數(shù)據(jù)均有日常監(jiān)測。以下是該工程項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)制冷/供暖季不同時段的檢測數(shù)據(jù)：
4.3 數(shù)據(jù)分析
在近三個月的制冷運(yùn)行期間，地耦管熱泵每天運(yùn)行8h左右，熱泵啟動時地下循環(huán)水的起始溫度維持在18.5-20.5℃，說明熱泵經(jīng)循環(huán)水排放到地下的熱量與地耦管管壁周圍巖土沿半徑方向向外傳熱能形成動態(tài)平衡，從而確保熱泵長期穩(wěn)定運(yùn)行。
圖2為制冷性能系數(shù)COPl與循環(huán)水進(jìn)水溫度的關(guān)系。由圖可見，循環(huán)水進(jìn)水溫度越低，制冷性能系數(shù)越高，近似為線性關(guān)系。當(dāng)循環(huán)水進(jìn)水溫度為20℃時，COPl高達(dá)3.9；當(dāng)循環(huán)水進(jìn)水溫度升至31℃時，COPl尚可達(dá)到3.1。與此相比，夏天當(dāng)?shù)卮髿鉁囟雀哌_(dá)38℃以上，普通空氣源空調(diào)的COPl僅為2.5-2.8。故地耦管熱泵的制冷節(jié)能效果是很明顯的。
供熱期間，初始幾天的循環(huán)水起始溫度有所下降，但下降幅度不大；進(jìn)入長期運(yùn)行后，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，溫度值在15-16℃之間波動。說明白天熱泵通過循環(huán)水從沿途中吸取的熱量夜間已從地耦管遠(yuǎn)處得到傳遞而恢復(fù)，并達(dá)到動態(tài)平衡，從而確保熱泵供暖運(yùn)行的長期穩(wěn)定性。
圖3為供暖性能系數(shù)COPn與循環(huán)水進(jìn)水溫度的關(guān)系。由圖3可見，循環(huán)水進(jìn)水溫度越高，供暖性能系數(shù)越高，近似為線性關(guān)系。當(dāng)循環(huán)水進(jìn)水溫度為16.8℃時，COPn高達(dá)4.34，循環(huán)水進(jìn)水溫度即使降至11.7℃時，COPn也可以達(dá)到3.71.故地耦管熱泵的供暖節(jié)能也是很明顯的。
4.4 結(jié)論
制冷時，地耦管地源熱泵的循環(huán)水進(jìn)水溫度越低，其性能系數(shù)越高；供暖時，循環(huán)水進(jìn)水溫度越高，其性能系數(shù)越高。相較而言，供暖的性能系數(shù)又高于制冷的性能系數(shù)。
由于地下巖土溫度比較穩(wěn)定，它的夏季溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大氣溫度，冬季溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大氣溫度，因此地耦管地源熱泵不論是制冷還是供暖，其性能系數(shù)均遠(yuǎn)高于空氣源熱泵。這是地耦管地源熱泵節(jié)能的根本原因。
通過對數(shù)據(jù)的分析，該工程的系統(tǒng)運(yùn)行情況基本滿足設(shè)計要求，目前土壤熱不平衡性不明顯，由于熱不平衡性導(dǎo)致的效率衰減表現(xiàn)不明顯，但仍需未來幾年對系統(tǒng)進(jìn)行檢測，以確保運(yùn)行的穩(wěn)定。
