摘要:地源熟泵技術是目前有效利用現(xiàn)有低溫地熟資源的一種重要方法。文章介紹了地源熱泵系統(tǒng)的工作原理及分類,以及地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點和發(fā)展前景。
關鍵詞:地源熱泵系統(tǒng),地表水系統(tǒng),地下水系統(tǒng),埋地管系統(tǒng)
地源熱泵系統(tǒng)是一種利用大自然中蘊藏著大量的較低溫度的低品位熱能(也稱自然能源,包括大氣、地表水、海水,地下水、土壤等)的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能系統(tǒng)。
一、地源熱泵系統(tǒng)的基本原理
地源熱泵系統(tǒng),尤其是地埋管水源熱泵系統(tǒng)和地下水水源熱泵系統(tǒng),都是將地下30～300 m的恒溫帶中的土壤、卵石、巖石和含水層作為熱泵系統(tǒng)的“熱源”和“熱匯”。在夏季供冷時,向地下排放冷凝熱,經(jīng)整個夏季冷凝熱排放與積聚后,此地的恒溫帶會形成局部的4～6℃的溫升;在冬季供熱時,熱泵要從地下不斷吸取這部分所儲存的低溫熱量,經(jīng)熱泵升溫后向建筑供暖。如果熱泵系統(tǒng)冬季從地下累計吸取的熱量等于夏季累計排放的熱量,則此地的恒溫帶會形成局部的4～6℃的溫降,經(jīng)一年的供冷供暖周期后又恢復到原始的恒溫帶溫度。但是任何實際的地源熱泵系統(tǒng),其夏季累計冷負荷不會等于冬季累計熱負荷,夏季累計向地下釋放的熱量一般,也不會等于冬季從地下吸取的熱量。
二、地源熱泵系統(tǒng)的分類
1)地表水系統(tǒng)。如果空調(diào)建筑附近有河、湖、水池等地表水,可將閉環(huán)換熱盤管放人河水、湖水、水池中作為地源熱泵的室外系統(tǒng)。夏季從熱泵冷凝器吸熱后的冷卻水經(jīng)密封的管道系統(tǒng)進入湖或池中,利用溫度穩(wěn)定的湖水或池中水散熱。冬季吸取湖水或池水的熱量并將熱量傳遞給熱泵機組的蒸發(fā)器。這種方式可以保證河水(湖水)的水質不受到任何影響,而且可以大大降低室外換熱系統(tǒng)的施工費。
2)地下水系統(tǒng)。另一種室外系統(tǒng)可采用地下水系統(tǒng),地下水系統(tǒng)一般采用開環(huán)系統(tǒng),包括一定數(shù)星的抽水井和回灌井。冷卻水經(jīng)熱交換器向地下深井散熱(冬季吸熱),地下水從取水井中抽取進入熱交換器吸熱(冬季散熱)后由回水井回灌到地下。地下水系統(tǒng)適用于地下水豐富的地區(qū)。地下水的溫度常年穩(wěn)定,不受外界氣溫影響,所以熱泵機組可以高效運行。
3)埋地管系統(tǒng)。對于地表水地下水缺乏的地區(qū),室外地能換熱系統(tǒng)用埋地管系統(tǒng)。將換熱盤管深埋于地下土壤中,循環(huán)水經(jīng)水管壁面直接與土壤進行熱交換。夏季循環(huán)水將制冷機組吸收的熱量向土壤散熱,冬季從土壤吸熱并將熱量經(jīng)由熱泵機組傳遞至室內(nèi)。這種熱泵系統(tǒng)也稱土壤源熱泵。由于埋管技術較為復雜,所需埋設的管道較長,總體造價較高,一般適合于建筑面積較小時采用。
三、地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點與適用條件
這里所謂的地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點都是相對空氣源熱泵系統(tǒng)而言的。空氣源熱泵系統(tǒng)的“源”和“匯”是室外空氣,由于室外空氣的溫度不但有一年四季的變化,而且還有晝夜24 h的變化,所以其制冷量或制熱量的輸出是極不穩(wěn)定的。而地源熱泵系統(tǒng)是以地下30～300 m的土壤、砂土、礫石、巖石和含水層作為熱泵系統(tǒng)的“源”和“匯”,該層地溫一年四季恒定,既不受地表溫度變化的影響,也不受地心高溫的影響。因此,地源熱泵系統(tǒng)的第一個優(yōu)點是其制冷量或制熱量輸出是常年穩(wěn)定的。第二個優(yōu)點是高效率。對空氣源熱泵系統(tǒng)來說,在夏季隨著室外氣溫的升高,冷需求加大,而其制冷量與EER逐漸降低。相反,在冬季,隨著室外氣溫下降,熱需求增大,而其制熱量與COP也逐漸降低。但對地源熱泵系統(tǒng)來說,就不存在此問題。夏季制冷時地下“匯”的溫度一般能維持在20℃左右,冬季制熱時地下“源”的溫度一般能維持在10℃左右,因此其制冷與制熱效率一般均可比空氣源熱泵效率高20%～40%。第三個優(yōu)點是,當冬季從地下累計取熱量與夏季向地下累計放熱量相等時,地源熱泵系統(tǒng)可以不設任何冷卻塔和輔助加熱設備,減少了維護費用,使建筑的外立面更加美觀。第四個優(yōu)點是,可充分利用夏季制冷時的冷凝熱,有效減輕了城市的夏季熱島效應,同時也改善了熱泵系統(tǒng)的效率,還可提供全年的生活熱水。
地源熱泵系統(tǒng)的缺點首先是投資高。因為地下鉆井埋管與打井都需要高額的工程建設費,尤其是在現(xiàn)場地質水文條件惡劣的情況下更為突出。在一些工程中,其地下鉆眼埋管或打井費用甚至與地上空調(diào)系統(tǒng)的建設費用接近。其次是地源熱泵系統(tǒng)的全年供冷(熱)性能和經(jīng)濟性依賴于建筑的冷(熱)負荷計算、設備選用和地下埋管或水井設計計算與施工。第三是目前國內(nèi)熟悉地源熱泵系統(tǒng)的合格設計人員有限。最后就是目前國內(nèi)有經(jīng)驗的、合格的承包商不多。地源熱泵系統(tǒng)既不是萬能的系統(tǒng),也不是在任何地方都能使用的系統(tǒng)。鑒于地源熱泵系統(tǒng)是利用地下30～300 m且溫度不低又不高的恒溫帶“源”和“匯”的地下環(huán)境,以及全年空調(diào)熱泵自身夏季排熱與冬季取熱的特點,確保了熱泵的高效、穩(wěn)定、持續(xù)運行。
因此,地源熱泵系統(tǒng)的建設一般應遵循以下適用條件:①全年室外空氣平均溫度(或地下恒溫帶溫度)處于10～20℃的地域;②具有經(jīng)濟的打井地質條件及擁有合適淺層地下水資源的地域;③全年向地下總排熱量和總取熱量相等或接近的供熱供冷工程;④夏季供冷溫度不低于5℃,冬季供熱溫度不高于60℃的工程。
四、地源熱泵系統(tǒng)發(fā)展的前景
雖然存在各種困難,地源熱泵技術作為一項有效的暖通空調(diào)節(jié)能技術,因其自身的清潔、節(jié)能等特點,存在一定的推廣價值。在國外,由于起步較早,此技術已經(jīng)基本成熟,并開始逐步應用于各種建筑中,并且針對不斷出現(xiàn)的問題進行調(diào)整。國內(nèi)因為研究工作開展相對較晚,目前還沒有獨立進行的成功的工程實例。隨著暖通空調(diào)技術的發(fā)展,對地源熱泵的一些制約因素將會被逐步克服,甚至可能會轉化為促進這項技術發(fā)展有利的條件。我國地域遼闊,各地的氣候條件和土壤條件各不相同,其中大部分地區(qū)夏熱冬冷,適合地源熱泵的使用范圍。此外,根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)的特點,還可考慮在其它需要供熱的行業(yè)使用。如現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)中溫室需要提供的熱水溫度一般比空調(diào)系統(tǒng)低,夏季降溫的要求也比空調(diào)建筑低,利用地源熱泵系統(tǒng)可以降低運行成本,很好地發(fā)揮其優(yōu)點;在養(yǎng)殖行業(yè),需要提供合適的水溫,也可以充分采用地源熱泵系統(tǒng)。總之,只要揚長避短,正確定位,地源熱泵系統(tǒng)是有很大發(fā)展空間的。
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