摘要：地源熱泵系統(tǒng)的能量來源于地下能源。它不向外界排放廢氣、廢水、廢渣, 是一種理想的“綠色空調(diào)”, 被認為是目前可使用的對環(huán)境最友好和最有效的供熱、供冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)無論嚴寒地區(qū)或熱帶地區(qū)均可應用本文探討了地源熱泵技術的特點及運用。
關鍵詞：地源熱泵；技術；節(jié)能；應用
中圖分類號： TU201.5 文獻標識碼： A 文章編號：
地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)過多年的研究，在技術上已經(jīng)比較成熟，而且經(jīng)過多次的示范實踐，肯定其具有節(jié)約能源、性能穩(wěn)定、清潔安全等優(yōu)點，雖然其初投資比常規(guī)采暖空調(diào)系統(tǒng)大，但可以大大節(jié)省運行維護費用。據(jù)世界環(huán)保組織估計，設計安裝良好的地源熱泵，平均可節(jié)約用戶30%～40% 的采暖空調(diào)運行費，因此它將成為大有發(fā)展前景的采暖空調(diào)技術。
一、地源熱泵技術的工作原理
地源熱泵技術是一種利用地球表面淺層的地熱能資源進行供熱、制冷的高效、節(jié)能、環(huán)保的系統(tǒng)。地源熱泵通過輸入少量的電能，實現(xiàn)低溫熱能向高溫熱能的轉(zhuǎn)移。工作原理見圖1，地熱能在冬季作為熱泵供熱的熱源；在夏季作為熱泵制冷的熱匯。 即在冬季，把地熱能中的熱量“取”出來，提高溫度后，向室內(nèi)供給熱量；夏季，把室內(nèi)的熱量“取”出來，“排放” 到地下可緩解城市熱島效應，通常熱泵消耗1 k w 的能量用戶可以得到今5 kw 的熱量或冷量。
1-壓縮機; 2-蒸發(fā)器; 3-冷凝器; 4-節(jié)流閥;5 ～ 12-閥門; 13-風機盤管; 14-埋地換熱器
圖1地源熱泵技術的工作原理
二、地源熱泵系統(tǒng)的特點
1、 節(jié)能、高效
地溫一年四季基本恒定在16℃左右，略高于該地區(qū)平均溫度1到2度，使得熱泵無論在制冷或制熱工況中均處于高效率點。 地源熱泵空調(diào)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，用于將土壤中的熱量“搬運”至室內(nèi)。與鍋爐（電、燃料）供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70―90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)換為熱量供用戶使用，而地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率最高可達4.7，因此它要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量，其運行費用僅為普通中央空調(diào)的50―60%。
2、節(jié)省建筑空間、便于運行管理地源熱泵沒有冷卻塔和其它室外設備，省去了鍋爐房、冷卻塔及附屬的煤場、渣場所占用的寶貴面積，節(jié)省了空間和地皮，產(chǎn)生附加經(jīng)濟效益，并改善了環(huán)境外部形象。熱泵機組質(zhì)量可靠，沒有大型的集中機組，無需專人值守，大大減少維修、維護費用，可以實現(xiàn)機組獨立計費，分戶計量，方便業(yè)主對整個系統(tǒng)的管理。
3、 綠色、環(huán)保、無污染
地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在冬季供暖時，不需要鍋爐，無燃燒產(chǎn)物排放，可大幅度降低溫室氣體的排放，既保護了環(huán)境，又可遵守《全球氣候公約》。在夏季制冷時也是將熱量轉(zhuǎn)移到地下，沒有任何氣體排放到大氣中，如果得到廣泛應用將可以大大降低溫室效應，減緩全球變暖的進程。
4、低運行費用
地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的高效節(jié)能特點，決定了它的低運行費用。其維修量極少，使用壽命和建筑物同期，折舊費和維修費也都大大低于傳統(tǒng)空調(diào)。由于自動化程度高，無需專業(yè)人員操控。一般來說，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的供暖和制冷費用只相當于普通空調(diào)系統(tǒng)供暖和制冷費用的30―70%。
5、應用靈活、安全可靠、用途廣泛
地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)靈活性強，―套地源熱泵系統(tǒng)可以替換原有的供熱鍋爐、制冷空調(diào)和生活熱水加熱的三套裝置或系統(tǒng)�？捎糜谛陆üこ袒驍U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。同時，地源熱泵無儲煤、儲油罐等衛(wèi)生及安全隱患。因此，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)從嚴寒地區(qū)至熱帶地區(qū)均適用，可為辦公樓、賓館、醫(yī)院、飯店、商店、超市、幼兒園、別墅、居民小區(qū)等各類建筑物提供冷暖兩用空調(diào)系統(tǒng)，并可同時提供生活熱水
三、地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢
1、地源熱泵的社會效益
我國的能源結(jié)構(gòu)主要依靠礦物燃料，特別是煤炭。礦物燃料燃燒后產(chǎn)生的大量污染物，是造成溫室效益的主要原因。采取地源熱泵能夠有效減少常規(guī)供熱和空調(diào)對大氣的污染，是一項利國利民的綠色工程。
2、地源熱泵的經(jīng)濟效益
地源熱泵系統(tǒng)可實現(xiàn)對建筑物的供熱和制冷，還可供生活熱水，一機多用。一套系統(tǒng)可以代替原來的鍋爐加制冷機的兩套裝置或系統(tǒng)。系統(tǒng)緊湊，省去了鍋爐房和冷卻塔，節(jié)省建筑空間，也有利于建筑的美觀。根據(jù)以往項目的經(jīng)驗，由于地源熱泵運行費用低，增加的初投資可在5～10（年限有待考證）年內(nèi)收回，地源熱泵系統(tǒng)在整個服務周期內(nèi)的平均費用將低于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)。同時，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性取決于多種因素。不同地區(qū)，不同地質(zhì)條件，不同能源結(jié)構(gòu)及價格等都將直接影響到其經(jīng)濟性。
三、地源熱泵的工程設計應用
1、 關于地下水源開采、回灌和土壤換熱器的比較
近幾年來地源熱泵的部分形式是地下水源開采---回灌形式的水源熱泵系統(tǒng)。這種形式面臨的最大問題是回灌問題。華北、華東地區(qū)的地下水位下降， 地面沉降問題一直很嚴重，多年來面臨嚴重的地沉問題，在利用向地下回灌來控制地面沉降的技術已用多年，積累了很多經(jīng)驗教訓。地源熱泵土壤換熱器有多種形式，如水平埋管，豎直埋管等。這兩種埋管型式各有自身的特點和應用環(huán)境，在中國采用豎直埋管更顯示出其優(yōu)越性。節(jié)約用地面積，換熱性能好，可安裝在建筑物基礎、道路、綠地、廣場、操場等下面而不影響上部的使用功能，甚至可在建筑物樁基中設置埋管，見縫插針充分利用可利用的土地面積。采用豎直埋管的土壤換熱器形式，不用開采和回灌地下水，沒有破壞自然環(huán)境的擔憂。另外的優(yōu)點是系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定、安全，沒有需要更新和維修潛水泵的煩惱。
2、冬季避免采用防凍液介質(zhì)
很多資料中介紹了防凍液的種類、性能等。在我國華北及以南區(qū)域，因為地下溫度不是很低，只要設計足夠的土壤換熱器數(shù)量，可以在使用水作為介質(zhì)的情況下滿足需要。盡量不使用防凍液，避免使用不慎造成環(huán)境問題和因溫度太低降低熱泵效率。
3、系統(tǒng)的管材必需采用高強度惰性材料
土壤換熱器系統(tǒng)設計要保證水系統(tǒng)平衡，避免采用室外閥門調(diào)節(jié)的方式。
4、關于豎直埋管埋設單U 型或雙U 型管的問題
從工程實踐中看，總體來說單U 型管方式優(yōu)于雙U 型管方式，但是同樣的換熱量單U 型管需要更多的孔數(shù)而增加了建設成本。
5、系統(tǒng)設計參數(shù)討論
關于( 冷) 熱源側(cè)水流量，要由最大得熱量和最大釋熱量確定的。埋管中水流速的選取取決于埋管循環(huán)流程長度，埋管材料，管徑大小，當?shù)氐卦礂l件以及機組的特性要求。一般， 如提高水流速度可適當增加換熱系數(shù)，強化換熱量，減小換熱面積和換熱管的耗材，但流速太快會增加循環(huán)水泵能量消耗。一般可取流速為0.65~ 1. 5m/s。具體可當?shù)貤l件進行優(yōu)化分析與設計。優(yōu)化設計時其復合能耗與埋管長度、埋管材料、管徑、地源溫度、地源熱指標、機組特性等因素有關。在機組選擇上，設定地埋管進水溫度，根據(jù)測井測出的進出水溫差推算出地埋管出水溫度，進而確定熱泵機組冬季的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度�？傊覈鶈T遼闊，在不同地區(qū)氣候條件差異很大，其負荷也迥然不同。因此不能照搬國外的技術成果，而要開發(fā)適合我國氣候特點的技術。
隨著人們環(huán)保意識和節(jié)能意識的不斷增強，在空調(diào)領域?qū)ふ仪鍧嵖稍偕茉凑找娉蔀檠芯繜狳c。地源熱泵作為新型可再生能源。很好地滿足了節(jié)能的需求，具有供能穩(wěn)定可靠。不受燃料短缺和價格波動影響等特殊優(yōu)勢。并且具有非常明顯的清潔環(huán)保性能減排效果顯著。經(jīng)過多年的實踐，地源熱泵在空調(diào)領域應用的技術可靠性、經(jīng)濟節(jié)能與環(huán)保性能已經(jīng)在諸多工程中得到了驗證，具有廣闊的發(fā)展前景。
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