地源热泵系统的工作原理和特点及应用

申 洁

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目前,对资源的循环利用、节能、绿色、环保已被国家放在经济发展的核心位置,国家建设部提出各地在建设领域可再生能源利用方面要重点抓好的六方面工作中,第二项就是地源热泵、水源热泵在建筑中的推广应用。地源热泵作为一种有益环境、节约能源和经济可行的建筑物供暖及制冷新技术越来越受到关注,推广应用迅速展开。

1 地源热泵系统的定义、工作原理

1.1 地源热泵系统的定义

地源热泵系统是以岩土体、地下水或地表水为低温热源,由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。地源热泵系统是一个广义的术语,它包括了使用土壤、地下水和地表水作为热源和冷源的系统。

1.2 地源热泵系统的工作原理

1.2.1 制冷原理

在制冷状态下,地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功,使其进行汽—液转化的循环。通过冷媒/空气热交换器内冷媒的蒸发将室内空气循环所携带的热量吸收至冷媒中,在冷媒循环的同时再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝,由水路循环将冷媒所携带的热量吸收,最终由水路循环转移至地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中,通过冷媒—空气热交换器,以13℃以下的冷风形式向室内供冷。

1.2.2 制热原理

在制热状态下,地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功,并通过四通阀将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地下水或土壤里的热量,通过冷媒/水热交换器内冷媒的蒸发,将水路循环中的热量吸收至冷媒中,在冷媒循环的同时再通过冷媒/空气热交换器内冷媒的冷凝,由空气循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中,以35℃以上热风的形式向室内供暖。

2 地源热泵系统的分类及各自的优缺点

2.1 地埋管地源热泵系统

地埋管地源热泵系统,也称地耦合热泵系统、土壤源地源热泵系统,分为水平地埋管地源热泵系统和垂直地埋管地源热泵系统。这一闭式系统方式,通过中间介质(通常为水或者是加入防冻剂的水)作为热载体,使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动,从而实现与大地土壤进行热交换的目的。

对于垂直式埋管系统,其优点有:较小的土地占用,管路及水泵用电少,其缺点是钻井费用较高;对于水平式埋管系统,其优点有:安装费用比垂直式埋管系统低,应用广泛,使用者易于掌握;其缺点有:占地面积大,受地面温度影响大,水泵耗电量大。

2.2 地下水热泵系统

地下水热泵系统,也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。通过建造抽水井群将地下水抽出,通过二次换热或直接送至水源热泵机组,经提取热量或释放热量后,由回灌井群灌回地下。

其最大优点是非常经济,占地面积小,但要注意必须符合下列条件:水质良好;水量丰富;回灌可靠;符合标准。

2.3 地表水热泵系统

地表水热泵系统,通过直接抽取或者间接换热的方式,利用包括江水、河水、湖水、水库水以及海水作为热泵冷热源。

其优点有:在10 m或更深的湖中,可提供10℃的冷风直接制冷,比地下埋管系统投资要小,水泵能耗较低,高可靠性,低维修要求,低运行费用,在温暖地区,湖水可做热源;其缺点有:在浅水湖中,盘管容易被破坏,由于水温变化较大,会降低机组的效率。

3 地源热泵系统的应用

1)节能、高效性。地源热泵系统在提供100单位能量的时候,70%的能量来源于土壤,30%的能量来自电力,电能的消耗主要用于压缩机的做功和使空调系统运行,即将土壤中的热量“搬运”至室内。它要比电锅炉加热节省2/3以上的电能,比燃料锅炉节省1/2以上的能量。由于土壤的温度全年较为稳定,一般为10℃～20℃之间,其制冷、制热系数可达 3.5～4.7,与传统的空气源热泵相比,能效要高出40%以上。2)环保无污染。地源热泵的污染物排放,与空气源热泵相比,相当于减少40%以上,与电供暖相比,相当于减少70%以上,如果结合其他节能措施节能减排效果会更明显。虽然也采用制冷剂,但比常规空调装置减少25%的充灌量;属自含式系统,即该装置能在工厂车间内事先整装密封好,因此,制冷剂泄漏几率大为减少。该装置的运行没有任何污染,可以建造在居民区内。3)属可再生能源利用技术。地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于400 m深)作为冷热源进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器,收集了47%的太阳能量,比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制,真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源,使得地能也成为清洁的可再生能源的一种形式。4)低运行费用。地源热泵系统的高效节能特点,决定了它的低运行费用,比其他各种采暖和制冷设备节能30%～70%。使用寿命25年以上,折旧费和维修费也都大大低于传统空调。5)应用灵活、安全可靠、用途广泛。地源热泵系统灵活性强,可用于新建工程或扩建、改建工程,可逐步分期施工,热泵机组可灵活地安置在任何地方,节约空间。无储煤、储油罐等卫生及安全隐患。从严寒地区至热带地区均适用。可为各类建筑物提供冷暖两用空调系统,同时提供生活热水。

4 地源热泵系统在应用中存在的问题

1)地埋管地源热泵系统。地埋管地源热泵系统在冬季供热过程中,载热介质从地下收集热量,再通过系统把热量带到室内。夏季制冷时系统逆向运行,即从室内带走热量,再通过系统将热量送到地下岩土中。但这种地源热泵系统对土壤换热器的材质及地质结构的要求比较高,同时埋设换热器需要较大的场地,系统投资也较其他方式要高,所以这种系统一般应用于面积比较小的居住类单体建筑,在大型工程中应用相对困难。

2)地下水热泵系统的经济性与地下水层的深度有很大的关系。如果地下水位较低,不仅成井的费用增加,运行中水泵的耗电将大大降低系统的效率。此外,虽然理论上抽取的地下水将回灌到地下水层,但目前国内地下水回灌技术还不成熟,在很多地质条件下回灌的速度大大低于抽水的速度,从地下抽出来的水经过换热器后很难再被全部回灌到含水层内,造成地下水资源的流失。从有关调查来看,地下水热泵工程真正成功的并不多。原因在于要实现100%的回灌,并回灌到同一含水层,不污染地下水,且能长时间稳定运行,并不容易做到。同时,还出现了大量不进行回灌的热泵工程,更有甚者,出现了直接利用地下水通入风机盘管内进行空调。这样做既污染水体又浪费水资源。

3)地表水热泵系统。这种地表水热泵系统也受到自然条件的限制。此外,由于地表水温度受气候的影响较大,与空气源热泵类似,当环境温度越低时热泵的供热量越小,而且热泵的性能系数也会降低。一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因素有关,需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热对水体中生态环境的影响有时也需要预先加以考虑。

5 地源热泵系统的发展前景

地源热泵系统由于采用的是可再生的地热能,因此被称之为一项以节能和环保为特征的21世纪的技术。随着地源热泵工程技术改进和规范化,存在着巨大的潜在的市场。我国面临严峻的能源形势,国家总的能源政策还是节能与新能源开发、再生能源利用并重,因此,地源热泵技术的推广应用在我国具有极大的现实意义和广阔的发展前景。

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