摘要：熱泵是從自然界中通過獲取空氣、水或土壤中的低品位熱，經(jīng)過能量轉(zhuǎn)化，輸出可用的高品位熱能的過程，是一種清潔、高效的供能技術(shù)。由于熱泵是是當(dāng)今最清潔、經(jīng)濟(jì)的能源方式，因?yàn)樗矢�，提取自然界中能量，沒有任何污染物排放。本文介紹了地源熱泵的特點(diǎn)及分類，并就目前地源熱泵在世界范圍內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀和市場前景進(jìn)行深入剖析。
關(guān)鍵詞：地源熱泵 節(jié)能 土壤源熱泵
作為我國最傳統(tǒng)的供熱方式燃煤鍋爐，一方面造成嚴(yán)重的大氣污染；另一方面能源利用率低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。然而隨著時(shí)代的進(jìn)步以及節(jié)能減排的推廣，燃煤鍋爐在一些城市中正在逐漸消失，而燃油和燃?xì)忮仩t因?yàn)檫\(yùn)行成本較高根本不能實(shí)行。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展大大提升了居民的生活質(zhì)量，社會(huì)各界已開始關(guān)注公共建筑和住宅的供暖和制冷技術(shù)研究。不斷擴(kuò)張的市場需求，使地源熱泵在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面的優(yōu)勢更加凸顯，它能較好地解決供熱和空調(diào)問題，滿足人們的日常生產(chǎn)和生活的需要。
1 地源熱泵的特點(diǎn)及分類
1.1 地源熱泵技術(shù)特點(diǎn)
環(huán)保：沒有外掛機(jī)，不產(chǎn)生噪音污染，工作不需冷卻，不存在熱島效應(yīng)，不需要向周圍環(huán)境釋放熱量；不需要抽取地下水，不破壞地下水資源，使用電力驅(qū)動(dòng)，對周圍環(huán)境零污染零排放，根本沒有燃燒過程。
性能穩(wěn)定：實(shí)行全電腦控制，或者電話遙控，甚至可以進(jìn)行新風(fēng)配送和溫濕度控制。
使用壽命長：使用壽命至少為20年，是分體式或窗式空調(diào)器的2-4倍。
一機(jī)多用：夏季制冷、冬季供暖以及全年供應(yīng)生活熱水。
1.2 地源熱泵的分類
在我國，地源熱泵亦稱地?zé)岜�，根�?jù)地?zé)嵩吹睦梅绞郊胺N類，可以分為：地下水熱泵（GWHP）、土壤源熱泵或稱土壤耦合熱泵（GCHP）、地表水熱泵（SWHP）三類。
1.2.1 地下水熱泵系統(tǒng)
現(xiàn)階段，地下水熱泵系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在商業(yè)建筑中。它最常用的形式是：一側(cè)走熱泵機(jī)組進(jìn)行水冷卻；另一側(cè)走地下水，利用水-水式板式換熱器。在土壤源熱泵逐漸推廣應(yīng)用以前，地下水熱泵系統(tǒng)已成為歐洲常用的地源熱泵系統(tǒng)。
1.2.2 土壤源熱泵
對于土壤源熱泵系統(tǒng)，熱泵的換熱器埋于地下，它是以大地作為熱源或者熱匯，與大地之間進(jìn)行冷熱交換。土壤源熱泵系統(tǒng)主機(jī)通常采用水-水、熱泵機(jī)組、水-氣熱泵機(jī)組進(jìn)行工作。土壤源熱泵系統(tǒng)按照地下熱交換器的布置形式，分為水平埋管、垂直埋管和蛇行埋管三類。
1.2.3 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)，只能采用閉路系統(tǒng)，開路系統(tǒng)并不適用。但是，管道或水中的其他設(shè)備在公共用的河中容易受到腐蝕和損害。另外，如果湖泊過小或過淺，就會(huì)產(chǎn)生效率降低，制冷或供熱能力降低的后果，因?yàn)楹吹臏囟葧?huì)隨著室外氣候發(fā)生較大的變化。總的來說，地表水熱泵系統(tǒng)具有造價(jià)低廉、相對泵耗能低、維修率低以及運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。
2 地源熱泵的由來及發(fā)展
從20世紀(jì)40年代后開始應(yīng)用的地源熱泵，可以說是一項(xiàng)相當(dāng)古老的技術(shù)。只是隨著近些年科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，該技術(shù)的應(yīng)用逐漸變成商業(yè)化。地源熱泵的名稱首次出現(xiàn)在1912年瑞士的一份專利文獻(xiàn)中，20世紀(jì)50年代該技術(shù)的應(yīng)用在歐洲掀起了一股浪潮。地下埋管換熱器的線熱源理論，由Ingersoll和Plass在此期間根據(jù)Kelvin線源概念提出，但此系統(tǒng)因過高的造價(jià)與過低的能源價(jià)格之間的矛盾而未得到普及與推廣。70年代突發(fā)石油危機(jī)，人們開始廣泛關(guān)注節(jié)能課題。此時(shí)，塑料管已取代金屬管被廣泛應(yīng)用在地下埋管供能系統(tǒng)中，自此，地源熱泵的發(fā)展達(dá)到全盛時(shí)期。在此時(shí)期，人們在冬季供暖中大面積應(yīng)用水平埋管換熱器的地源熱泵。20世紀(jì)80年代初，冷暖聯(lián)供地源熱泵的研究和應(yīng)用成為美國、加拿大等業(yè)界學(xué)者的熱點(diǎn)課題。很多文獻(xiàn)中都記載了地源熱泵不同形式地下埋管換熱器的傳熱過程及模型，同時(shí)附有部分工程的運(yùn)行總結(jié)及性能比較。
美國的環(huán)境保護(hù)署與能源部共同認(rèn)定，用于取暖、熱水、制冷的地源熱泵系統(tǒng)是現(xiàn)階段效率最高且有利于環(huán)境保護(hù)的供能系統(tǒng)。具體來講，該系統(tǒng)通過地下土壤或巖石的相對穩(wěn)定溫度，為地源熱泵用戶的取暖及空調(diào)系統(tǒng)減少了20-50%的電費(fèi)，在全年都能維持高效運(yùn)行。
多區(qū)頂風(fēng)系統(tǒng)、單區(qū)頂風(fēng)系統(tǒng)、冷水變風(fēng)系統(tǒng)、多區(qū)地源熱泵系統(tǒng)的效率比從一些文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果可以看出，分別為1.54kw/ton、1.40kw/tom、1.23kw/ton和0.88kw/ton，kw/ton表示千瓦耗電/噸制冷量。由此可見，傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)的工作效率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于地源熱泵系統(tǒng)。除此以外，建筑物若采用了地源熱泵系統(tǒng)，相同條件下的維護(hù)費(fèi)用大大減少。地源熱泵系統(tǒng)比較耐用，其元部件多安裝在室內(nèi)或地下埋設(shè)，很少受外界環(huán)境影響，因此其無需進(jìn)行過多的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)的地上部分和地下部分的服務(wù)年限分別為30年和50年，無需進(jìn)行過多的維護(hù)，是免維護(hù)空調(diào)，在三年左右用戶的投資即可回收。
與普通空調(diào)系統(tǒng)相比，地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用要少得多。亞特蘭大市一家用戶每年只需支出826美元的費(fèi)用，每年只需支出397美元便可滿足全年的地源熱泵系統(tǒng)的日常使用，而普通空調(diào)系統(tǒng)則需支付686美元。
除上述優(yōu)勢以外，地源熱泵系統(tǒng)中的制冷劑全部經(jīng)專業(yè)的生產(chǎn)廠家密封加工，保證不泄露，因而減少了對臭氧層的破壞，用戶任何時(shí)候均不必添補(bǔ)制冷劑。該系統(tǒng)可在新建筑施工時(shí)安裝，在面積不同、結(jié)構(gòu)各異的居民建筑，以及就建筑物的改造中可廣泛應(yīng)用，其極具彈性特點(diǎn)的設(shè)計(jì)理念對追求系統(tǒng)質(zhì)量的空調(diào)用戶具有強(qiáng)大的吸引力。地源熱泵非常適合于夏季炎熱而潮濕的氣候，因其在去濕方面有特別的長處，因而若在地源熱泵系統(tǒng)的空氣配送裝置上加裝空調(diào)器，便能更加凸顯其去濕功能。由此可見，采用地源熱泵系統(tǒng)也可以達(dá)到室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
3 地源熱泵在中國的發(fā)展現(xiàn)狀及前景
近幾年來，我國已逐漸推廣應(yīng)用地下水熱泵系統(tǒng)。而土壤源熱泵系統(tǒng)的研究仍停留在探索階段。
我國自1998年起進(jìn)入土壤源熱泵的研發(fā)階段。國內(nèi)已有多家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)已建立起土壤源熱泵實(shí)驗(yàn)臺，主要開展對地下?lián)Q熱器和地面熱泵設(shè)備長期聯(lián)合運(yùn)行的研究。國內(nèi)從2000年開始，濟(jì)南、重慶、米泉、長春和溫州紛紛建立起土壤源熱泵系統(tǒng)示范工程。土壤源熱泵系統(tǒng)越來越多地被房地產(chǎn)商所關(guān)注和采用。
我國建設(shè)部門自2001年10月起正式實(shí)施的《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中，對此項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展作了推薦。北京市政府機(jī)構(gòu)會(huì)同相關(guān)科研部門以2008年奧運(yùn)會(huì)為契機(jī)通力協(xié)作，基于國內(nèi)外專家學(xué)者關(guān)于“綠色奧運(yùn)、科技奧運(yùn)”的提議，我國在2008年北京奧運(yùn)會(huì)上特別指定采用地源熱泵中央空調(diào)作為中央空調(diào)型式。
早在毛主席紀(jì)念堂等國家建筑中就開始應(yīng)用地源熱泵供能系統(tǒng)。國家分別將北京、天津、沈陽三個(gè)城市做為地源熱泵試點(diǎn)城市。現(xiàn)在這三個(gè)城市，甚至全國，大力發(fā)展地源熱泵。
4 結(jié)束語
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，地源熱泵工程技術(shù)的研究也不斷產(chǎn)生新的突破。該供能系統(tǒng)在節(jié)能與環(huán)保方面具有傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，外界環(huán)境幾乎不影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，可見其市場前景多么廣闊。可以說，該系統(tǒng)的研究和應(yīng)用是現(xiàn)階段人們利用低溫?zé)崮艿淖钕冗M(jìn)的技術(shù)研究，在全社會(huì)倡導(dǎo)能源節(jié)約的今天，熱泵技術(shù)這種最具競爭力的空調(diào)方式必將受到全世界的廣泛關(guān)注。
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