地源熱泵及其應(yīng)用
時(shí)間:2022-01-29
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張新世
?。ㄖ性涂碧骄挚辈煸O(shè)計(jì)研究院）
論文摘要：本文介紹了地源熱泵的概念及工作原理，隨后詳細(xì)地論述了地源熱泵的特點(diǎn)，和地源熱泵在我國(guó)發(fā)展的限制條件，并介紹了地源熱泵在國(guó)內(nèi)使用情況及發(fā)展前景，最后鮮明地指出地源熱泵技術(shù)是目前對(duì)人類(lèi)最友好最有效的供熱供冷技術(shù)。
1 地源熱泵的概念和工作原理
地源熱泵是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源（包括地下水、土壤和地表水）即可供熱又可供冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。利用逆卡諾循環(huán)，通過(guò)輸入少量高品位的電能，實(shí)現(xiàn)低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移。熱泵一般有蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)和膨脹閥四部分組成。
地源熱泵的工作原理是：在夏季，熱泵機(jī)組將建筑物中的熱量取出，轉(zhuǎn)移釋放到地層中；在冬季，則從地層中提取熱量，向建筑物供熱。通常地源熱泵消耗1kW的能量，用戶(hù)可以得到4kW以上的熱量或冷量。
2 地源熱泵的特點(diǎn)
我們知道在地球表面以下一定深度的地溫全年相對(duì)恒定，地源熱泵利用淺層地?zé)嶙鳛槔錈嵩?，這樣就排除了環(huán)境因素的影響，與其它供熱供冷系統(tǒng)相比，具有以下顯著特點(diǎn)。
2.1 利用的是可再生能源
地源熱泵在夏季吸收建筑物散發(fā)的熱量并在淺層地下保存起來(lái)，一部分熱量在冬季供建筑物的采暖，另一部分熱量則直接散發(fā)到空氣中。就全年來(lái)說(shuō)，建筑物利用淺層地?zé)岬臒崃炕蚶淞看篌w是相等的。所以說(shuō)，地源熱泵利用的是可再生能源。
2.2 高效節(jié)能
由于地源熱泵的熱源溫度全年一般為10～22℃，冬季供熱時(shí)，水體溫度比環(huán)境溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。夏季制冷時(shí)，水體溫度比環(huán)境溫度低，冷卻效果提高，機(jī)組效率也提高。水源熱泵的制冷制熱系數(shù)可達(dá)4.0以上，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，高出40%左右，其運(yùn)行費(fèi)用僅為普通中央空調(diào)的50%～60%，與電熱鍋爐和電熱膜供熱相比，節(jié)約70%左右的電能。
2.3 環(huán)保效益顯著
水源熱泵運(yùn)行時(shí)，需要的僅僅是水源水的熱量或冷量，水質(zhì)不發(fā)生任何變化，也不產(chǎn)生任何污染，不耗水、排煙，不產(chǎn)生灰塵，僅僅消耗少量的電能。
從耗電方面來(lái)說(shuō)，節(jié)能就是環(huán)保。使用水源熱泵導(dǎo)致的污染物排放，比空氣源熱泵減少40%，比電鍋爐減少70%。雖然地源熱泵也使用制冷劑，但比常規(guī)空調(diào)減少25%的沖灌量。地源熱泵在工廠內(nèi)整裝密封完好，不會(huì)像分體空調(diào)那樣安裝時(shí)易產(chǎn)生泄漏。
2.4 一機(jī)多用
一套地源熱泵就可以實(shí)現(xiàn)供熱、供冷和生活熱水供應(yīng)。即用一套設(shè)備可以代替原來(lái)的鍋爐加空調(diào)兩套系統(tǒng)，所以一次性投資僅是傳統(tǒng)供熱制冷的50%～70%。特別是在夏季供冷時(shí)，可以利用熱泵產(chǎn)生的費(fèi)熱，免費(fèi)為用戶(hù)提供生活熱水。所以，地源熱泵特別適用同時(shí)有供熱供冷和生活熱水供應(yīng)的建筑。
2.5 節(jié)省土地資源
水源熱泵除主機(jī)和循環(huán)水泵外，沒(méi)有其它安裝設(shè)備。與鍋爐房相比，省去了水處理間、風(fēng)機(jī)間、煙囪、煤場(chǎng)和渣土場(chǎng)，節(jié)約了土地資源。
2.6 運(yùn)行穩(wěn)定可靠、使用壽命長(zhǎng)
由于地源熱泵的水體溫度穩(wěn)定，與空氣源熱泵相比，免除了結(jié)霜和除霜的影響。熱泵的運(yùn)轉(zhuǎn)部件少，基本上不需要維修，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用壽命可達(dá)20年左右。
2.7 自動(dòng)化程度高
地源熱泵一般是全電腦控制，可根據(jù)外部負(fù)荷的變化，調(diào)整壓縮機(jī)的工作數(shù)量，并設(shè)有壓縮機(jī)超溫保護(hù)、斷水保護(hù)等多種保護(hù)措施，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。
3 地源熱泵供熱系統(tǒng)的組成
地源熱泵工程一般有地源水系統(tǒng)，熱泵機(jī)房和末端風(fēng)機(jī)盤(pán)管散熱系統(tǒng)三部分組成。根據(jù)地源換熱系統(tǒng)的形式又分為開(kāi)式環(huán)路系統(tǒng)和閉式環(huán)路系統(tǒng)。
開(kāi)式環(huán)路系統(tǒng)是將水從水井（包括湖泊和河流）中抽出，送入熱交換機(jī)組進(jìn)行熱交換，提取熱量或冷量后的水再回灌到水井中。開(kāi)式環(huán)路系統(tǒng)用水一般只進(jìn)行簡(jiǎn)單的水處理，會(huì)引起換熱器表面結(jié)垢。開(kāi)式系統(tǒng)是目前地源熱泵應(yīng)用的主要形式。
閉式環(huán)路系統(tǒng)又分為立埋式環(huán)路系統(tǒng)和平埋式環(huán)路系統(tǒng)。它是通過(guò)埋在地下的聚乙烯管環(huán)路與土壤進(jìn)行熱交換。通常適合安裝在別墅等場(chǎng)地較大的建筑物。
4 地源熱泵的限制條件
地源熱泵被專(zhuān)家們稱(chēng)之為目前可用的對(duì)人類(lèi)最友好最有效的供熱供冷形式，近幾年在研究和應(yīng)用上得到了迅速發(fā)展，但由于受到以下客觀條件的限制，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用尚不普遍。
4.1 宣傳認(rèn)識(shí)不足
地源熱泵技術(shù)雖然受到熱暖專(zhuān)家的推崇，但是要獲得在工程中的普遍應(yīng)用，需要各階層領(lǐng)導(dǎo)特別是工程主管領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)可。由于這項(xiàng)技術(shù)是近幾年隨著我國(guó)能源戰(zhàn)略的調(diào)整才發(fā)展起來(lái)的，甚至部分熱暖技術(shù)人員，也存在認(rèn)識(shí)不足的現(xiàn)象。所以，要獲得社會(huì)的認(rèn)同還需要加大宣傳力度。
4.2 政策力度不夠
我國(guó)《節(jié)約能源法》中，對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)和集中供熱技術(shù)鼓勵(lì)和發(fā)展，而對(duì)綜合能源利用率是其2倍的地源熱泵技術(shù)，至今還沒(méi)有鼓勵(lì)發(fā)展的明確條文。
4.3 水源條件的限制
對(duì)于開(kāi)式環(huán)路地源熱泵系統(tǒng)是否有充足的水源，以及當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)土壤條件是否能保證尾水的回灌順利實(shí)現(xiàn)是地源熱泵應(yīng)用的前提條件。一般來(lái)說(shuō)，用于小區(qū)供暖時(shí)，建筑容積率要≤1。對(duì)于閉式系統(tǒng)，受當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件是否適合埋管和是否有足夠的場(chǎng)地埋管等環(huán)境條件的限制。
4.4 埋管系統(tǒng)換熱計(jì)算理論不成熟
對(duì)于地源熱泵機(jī)組和末端風(fēng)機(jī)盤(pán)管散熱系統(tǒng)目前技術(shù)已相當(dāng)成熟。對(duì)開(kāi)式系統(tǒng)，當(dāng)?shù)厮块T(mén)對(duì)水源情況也相當(dāng)了解；而對(duì)埋管系統(tǒng)，目前土壤埋管換熱計(jì)算理論還不成熟，設(shè)計(jì)落后于工程應(yīng)用，這就使工程質(zhì)量難以保證，并使該項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用受到限制。
4.5 受當(dāng)?shù)厮块T(mén)政策的限制
我國(guó)南方水源充足，而北方大部分地區(qū)水源缺乏，為保護(hù)有限的水資源，每個(gè)地方政府都制定了當(dāng)?shù)氐乃Y源使用法規(guī)。雖然地源熱泵系統(tǒng)并不消耗水也不污染地下水，但需要大量的水作熱載體。有些地方部門(mén)對(duì)取水和回灌水進(jìn)行雙重收費(fèi)，使地源熱泵的節(jié)能效果不能夠充分體現(xiàn)，這就限制了該項(xiàng)技術(shù)在這些地區(qū)的發(fā)展。
5 地源熱泵的應(yīng)用
5.1 國(guó)外應(yīng)用情況
地源熱泵在日、韓、美和中、北歐應(yīng)用較為普遍。據(jù)1999年的統(tǒng)計(jì)，在住宅供熱裝置中，地源熱泵所占比例，瑞士96%，奧地利38%，丹麥27%。美國(guó)1998年地源熱泵系統(tǒng)在新建筑中占30%，且以10%的速度穩(wěn)步增長(zhǎng)。其中最著名的地源熱泵工程有肯塔基州劉易斯威爾的濱水區(qū)辦公大樓，服務(wù)面積15.8×104m2，每月節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用25000 美元。隨著該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，其組織的研究也迅速發(fā)展。據(jù)有關(guān)資料介紹，日本國(guó)研究出的高溫水地源熱泵，出水溫度達(dá)到80～150℃，且其制熱系數(shù)COP高達(dá)8.0。
5.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況
天津大學(xué)熱能研究所的呂燦仁教授在1954年就開(kāi)展了我國(guó)熱泵的最早研究，1965年研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)水冷式熱泵機(jī)組。目前多家大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都在對(duì)水源熱泵進(jìn)行研究。
國(guó)內(nèi)較早生產(chǎn)水源熱泵的廠家有清華同方人工環(huán)境設(shè)備公司和山東海洋富爾達(dá)，產(chǎn)品都已系列化。目前熱泵機(jī)組出水溫度已達(dá)65℃，制冷系數(shù)COP可達(dá)6.7。目前國(guó)內(nèi)較典型的用戶(hù)有沈陽(yáng)東北電力住宅小區(qū)，服務(wù)面積8×104m2；北京友誼醫(yī)院服務(wù)面積7.1×104m2，全年節(jié)約采暖和供冷運(yùn)行費(fèi)用約9元/m2。
中原油田鉆井三公司辦公樓水源熱泵示范工程是我局第一個(gè)地源熱泵系統(tǒng)。選用鉆井綜合工程處與清華大學(xué)聯(lián)合研制生產(chǎn)的ZYRB240 型熱泵機(jī)組2臺(tái)，服務(wù)面積6000m2。該項(xiàng)工程的成功實(shí)施必將為地源熱泵在中原油田的推廣應(yīng)用起到有力的推動(dòng)作用。
6 地源熱泵的發(fā)展前景
6.1 符合政府有關(guān)部門(mén)的要求
地源熱泵高效節(jié)能，環(huán)保效益好，符合我國(guó)的能源政策和環(huán)境保護(hù)政策，熱泵技術(shù)的綜合能源利用率約為120%～180%。所以國(guó)家把熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)作為鼓勵(lì)發(fā)展的通用節(jié)能技術(shù)促進(jìn)了地源熱泵技術(shù)的發(fā)展。
6.2 符合業(yè)主的利益
由于地源熱泵即可供熱，又可供冷。一套系統(tǒng)可以代替原來(lái)的兩套系統(tǒng)，投資少。且地源熱泵占地少，運(yùn)行成本低，管理方便，這些都符合業(yè)主的根本利益。
6.3 符合用戶(hù)的利益
地源熱泵供熱費(fèi)用燃煤集中鍋爐房供熱費(fèi)用的一半，夏季供冷費(fèi)用約為冷水機(jī)組的60%，這就減少了用戶(hù)供熱供冷費(fèi)用的支出，符合用戶(hù)的切身利益。
6.4 適用地區(qū)范圍廣
冷水機(jī)組只能用于夏季供冷，風(fēng)冷機(jī)組只適用于長(zhǎng)江流域的供熱供冷，而地源熱泵除即無(wú)可利用地下水又不能埋管的極少數(shù)地區(qū)外，適用于其它絕大多數(shù)地區(qū)。
6.5 應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展
地源熱泵不僅在建筑采暖和供冷方面得到迅速發(fā)展，目前在化工、食品、造紙、農(nóng)業(yè)、冶金、木材干燥、制藥等行業(yè)中也得到了｀廣泛應(yīng)用。據(jù)預(yù)測(cè)2000年這些行業(yè)應(yīng)用地源熱泵1200多臺(tái)，且發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。
綜上所述，地源熱泵技術(shù)以其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，近幾年在國(guó)內(nèi)得到迅速發(fā)展。隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)政策的調(diào)整，我國(guó)以燃煤鍋爐采暖和空氣源熱泵供冷的傳統(tǒng)形式會(huì)被更加高效的地源熱泵所取代。隨著地源熱泵技術(shù)的研究和發(fā)展，它比將成為21世紀(jì)最普遍最有效的供熱供冷技術(shù)。
參考文獻(xiàn)
?。?］劉興中.水源熱泵系統(tǒng)介紹.2001
［2］吳展豪.地源熱泵空調(diào)系統(tǒng).2001
注：本文引至全國(guó)油區(qū)城鎮(zhèn)地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)論文集，冶金工業(yè)出版社，2003
