地源热泵技术

克莱门特捷联制冷设备(上海)有限公司 崔旭 沈阳新瑞特机电设备有限公司 钱镇

地源热泵技术

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环境污染和能源危机已成为当今社会的两大难题,因此尽可能少地消耗能源为建筑物创造舒适环境已经成为空调的发展方向,开发利用天然的冷/热源能够为空调带来节能和环保双重效益,因而越来越受到人们的重视。现如今正在兴起一种新的采暖及制冷方式,地源热泵技术,采暖及制冷采用同一套系统,并实现了环保和节能。

一、地源热泵概念

地源热泵是一种利用浅层和深层的大地能量,包括土壤、地下水、地表水等天然能源作为冬季热源和夏季冷源,然后再由热泵机组向建筑物供冷供热的系统,是一种利用可再生能源既可供暖又可制冷的新型中央空调系统。如下图所示:

二、地源热泵系统的原理

地源热泵系统的原理根据热力学第一定律。

热力学第一定律即能量守恒及转化定律:能量既不会凭空产生,也不会凭空消灭,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转化或转移的过程中,能量的总量不变。

对于地源热泵空调系统在冬季运行时机组内部的制冷剂从地下(土壤、地下水、地表水等)吸收热量U1,压缩机利用电能驱动对制冷剂系统做的有用功为W (为压缩机对系统内作功),则此时机组为用户提供的制热量为U2,则U2=U1+W

压缩机对制冷剂系统所做的有用功是消耗电能实现的,因此机组的耗电量U3与机组对内做的有用功W及在压缩机对内作功的同时会以热的方式消耗小部分热量Q的关系为: U3=W+Q W=U3-Q

即U2=U1U3-Q

但由于机组的保温措施较好,消耗的小部分热量往往可以忽略不计,因此 U2≈U1+U3

即冬季运行时地源热泵系统的制热量等于机组内部的制冷剂从地下(土壤、地下水、地表水等)吸收热量与压缩机耗电量之和。

地源热泵机组在夏季运行时与冬季不同的处为,机组内部的制冷剂向地下(土壤、地下水、地表水等)的放热量为U2,机组为用户提供的制冷量为U1。

则

其它与冬季运行工况同,最后仍可得出

即夏季运行时地源热泵系统需要向地下(土壤、地下水、地表水等)的放热量等于机组制冷量与压缩机耗电量之和。

从以上冬、夏季地源热泵系统运行分析可知,两者所用的公式是相同的,就是各个字母所代表的参数有所变化。这就是地源热泵的特殊之处,冬季冷凝器与用户侧连接,为用户供暖,蒸发器与地源侧连接,从土壤中吸取热量(在此过程中将土壤制冷);夏季冷凝器与地源侧连接,此时的冷凝器所放的热量变为了废热排入地下,冷凝器与用户侧连接为用于制冷(就是吸取用户内的热量)。这种地源侧和用户侧的转换可以在内部通过四通换向阀改变机组内部制冷剂的管路来实现,也可通过水路手动阀门或电动阀门的切换来实现。压缩机利用所耗的电能为主机内部的制冷剂系统提供有用功,使制冷剂系统不断地进行吸热(制冷)和放热(采暖)的循环。

三、地源热泵技术的特点

(1)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米深)作为冷热源,进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能,是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。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一种形式。(2)属经济有效的节能技术。地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定,冬季比环境空气温度高,夏季比环境空气温度低,是很好的热泵热源和空调冷源,这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高。另外,地能温度较恒定的特性,使得热泵机组运行更可靠、稳定,也保证了系统的高效性和经济性。据美国10年来的统计资料,地源热泵的运行费用(采暖)比耗电空调节约22%～25%,比燃油、燃煤锅炉运行费用节约40%～60%。(3)环境效益显著。该装置的运行没有任何污染,可以建造在居民区内,没有燃烧,没有排烟,也没有废弃物,不需要堆放燃料废物的场地,且不用远距离输送热量。(4)一机多用,应用范围广。地源热泵系统可供暖、制冷,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统;可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑,更适合于别墅住宅的采暖、制冷。(5)地源热泵空调系统维护费用低。在同等条件下,采用地源热泵系统的建筑物能够减少维护费用。地源热泵非常耐用,它的机械运动部件非常少,所有的部件不是埋在地下便是安装在室内,从而避免了室外的恶劣气候,其地下部分可保证50年,地源热泵是维护少,节省了维护费用。(6)地源热泵推广的障碍。地埋管的应用会受到当地地质条件的制约。打孔和埋管要占用部分面积。一次性投资费用比其他系统高,主要是相当于额外增加地下埋管打孔费用。地质情况的不确定性比较大,系统设计的技术要求比较高。政府、建筑设计人员和公众对这一技术缺乏了解。

四、结语

地源热泵利用地下蓄存的能量及二次能源电能,为用户提供制冷和采暖的需求,即节能又环保,是一项值得长期推广的项目,但同时也需要相关的技术单位更好更快的进行深入的专研和开发,使地源热泵技术变得更加的成熟,更有效的服务于人民,并解决能源紧张问题。

[1]廉乐明.工程热力学.中国建筑工业出版社, 1999.12

[2]解国珍.制冷技术.机械工业出版社,2008.06

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