地源熱泵及其應用
時間:2022-01-29
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張新世
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論文摘要：本文介紹了地源熱泵的概念及工作原理，隨后詳細地論述了地源熱泵的特點，和地源熱泵在我國發(fā)展的限制條件，并介紹了地源熱泵在國內使用情況及發(fā)展前景，最后鮮明地指出地源熱泵技術是目前對人類最友好最有效的供熱供冷技術。
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熱資源（包括地下水、土壤和地表水）即可供熱又可供冷的高效節(jié)能空調系統(tǒng)。利用逆卡諾循環(huán)，通過輸入少量高品位的電能，實現(xiàn)低品位熱能向高品位熱能轉移。熱泵一般有蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機和膨脹閥四部分組成。
地源熱泵的工作原理是：在夏季，熱泵機組將建筑物中的熱量取出，轉移釋放到地層中；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，用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。
2 地源熱泵的特點
我們知道在地球表面以下一定深度的地溫全年相對恒定，地源熱泵利用淺層地熱作為冷熱源，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。
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，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。就全年來說，建筑物利用淺層地熱的熱量或冷量大體是相等的。所以說，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，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，水體溫度比環(huán)境溫度低，冷卻效果提高，機組效率也提高。水源熱泵的制冷制熱系數(shù)可達4.0以上，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，高出40%左右，其運行費用僅為普通中央空調的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
水源熱泵運行時，需要的僅僅是水源水的熱量或冷量，水質不發(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。
從耗電方面來說，節(jié)能就是環(huán)保。使用水源熱泵導致的污染物排放，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)空調減少25%的沖灌量。地源熱泵在工廠內整裝密封完好，不會像分體空調那樣安裝時易產(chǎn)生泄漏。
2.4 一機多用
一套地源熱泵就可以實現(xiàn)供熱、供冷和生活熱水供應。即用一套設備可以代替原來的鍋爐加空調兩套系統(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，可以利用熱泵產(chǎn)生的費熱，免費為用戶提供生活熱水。所以，地源熱泵特別適用同時有供熱供冷和生活熱水供應的建筑。
2.5 節(jié)省土地資源
水源熱泵除主機和循環(huán)水泵外，沒有其它安裝設備。與鍋爐房相比，省去了水處理間、風機間、煙囪、煤場和渣土場，節(jié)約了土地資源。
2.6 運行穩(wěn)定可靠、使用壽命長
由于地源熱泵的水體溫度穩(wěn)定，與空氣源熱泵相比，免除了結霜和除霜的影響。熱泵的運轉部件少，基本上不需要維修，運行穩(wěn)定可靠，使用壽命可達20年左右。
2.7 自動化程度高
地源熱泵一般是全電腦控制，可根據(jù)外部負荷的變化，調整壓縮機的工作數(shù)量，并設有壓縮機超溫保護、斷水保護等多種保護措施，可實現(xiàn)無人值守。
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)，熱泵機房和末端風機盤管散熱系統(tǒng)三部分組成。根據(jù)地源換熱系統(tǒng)的形式又分為開式環(huán)路系統(tǒng)和閉式環(huán)路系統(tǒng)。
開式環(huán)路系統(tǒng)是將水從水井（包括湖泊和河流）中抽出，送入熱交換機組進行熱交換，提取熱量或冷量后的水再回灌到水井中。開式環(huán)路系統(tǒng)用水一般只進行簡單的水處理，會引起換熱器表面結垢。開式系統(tǒng)是目前地源熱泵應用的主要形式。
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)。它是通過埋在地下的聚乙烯管環(huán)路與土壤進行熱交換。通常適合安裝在別墅等場地較大的建筑物。
4 地源熱泵的限制條件
地源熱泵被專家們稱之為目前可用的對人類最友好最有效的供熱供冷形式，近幾年在研究和應用上得到了迅速發(fā)展，但由于受到以下客觀條件的限制，這項技術的應用尚不普遍。
4.1 宣傳認識不足
地源熱泵技術雖然受到熱暖專家的推崇，但是要獲得在工程中的普遍應用，需要各階層領導特別是工程主管領導的認可。由于這項技術是近幾年隨著我國能源戰(zhàn)略的調整才發(fā)展起來的，甚至部分熱暖技術人員，也存在認識不足的現(xiàn)象。所以，要獲得社會的認同還需要加大宣傳力度。
4.2 政策力度不夠
我國《節(jié)約能源法》中，對熱電聯(lián)產(chǎn)和集中供熱技術鼓勵和發(fā)展，而對綜合能源利用率是其2倍的地源熱泵技術，至今還沒有鼓勵發(fā)展的明確條文。
4.3 水源條件的限制
對于開式環(huán)路地源熱泵系統(tǒng)是否有充足的水源，以及當?shù)氐牡刭|土壤條件是否能保證尾水的回灌順利實現(xiàn)是地源熱泵應用的前提條件。一般來說，用于小區(qū)供暖時，建筑容積率要≤1。對于閉式系統(tǒng)，受當?shù)氐刭|條件是否適合埋管和是否有足夠的場地埋管等環(huán)境條件的限制。
4.4 埋管系統(tǒng)換熱計算理論不成熟
對于地源熱泵機組和末端風機盤管散熱系統(tǒng)目前技術已相當成熟。對開式系統(tǒng)，當?shù)厮块T對水源情況也相當了解；而對埋管系統(tǒng)，目前土壤埋管換熱計算理論還不成熟，設計落后于工程應用，這就使工程質量難以保證，并使該項技術的廣泛應用受到限制。
4.5 受當?shù)厮块T政策的限制
我國南方水源充足，而北方大部分地區(qū)水源缺乏，為保護有限的水資源，每個地方政府都制定了當?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。有些地方部門對取水和回灌水進行雙重收費，使地源熱泵的節(jié)能效果不能夠充分體現(xiàn)，這就限制了該項技術在這些地區(qū)的發(fā)展。
5 地源熱泵的應用
5.1 國外應用情況
地源熱泵在日、韓、美和中、北歐應用較為普遍。據(jù)1999年的統(tǒng)計，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。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，服務面積15.8×104m2，每月節(jié)省運行費用25000 美元。隨著該項技術的應用發(fā)展，其組織的研究也迅速發(fā)展。據(jù)有關資料介紹，日本國研究出的高溫水地源熱泵，出水溫度達到80～150℃，且其制熱系數(shù)COP高達8.0。
5.2 國內應用情況
天津大學熱能研究所的呂燦仁教授在1954年就開展了我國熱泵的最早研究，1965年研制成功國內第一臺水冷式熱泵機組。目前多家大學和研究機構都在對水源熱泵進行研究。
國內較早生產(chǎn)水源熱泵的廠家有清華同方人工環(huán)境設備公司和山東海洋富爾達，產(chǎn)品都已系列化。目前熱泵機組出水溫度已達65℃，制冷系數(shù)COP可達6.7。目前國內較典型的用戶有沈陽東北電力住宅小區(qū)，服務面積8×104m2；北京友誼醫(yī)院服務面積7.1×104m2，全年節(jié)約采暖和供冷運行費用約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地源熱泵系統(tǒng)。選用鉆井綜合工程處與清華大學聯(lián)合研制生產(chǎn)的ZYRB240 型熱泵機組2臺，服務面積6000m2。該項工程的成功實施必將為地源熱泵在中原油田的推廣應用起到有力的推動作用。
6 地源熱泵的發(fā)展前景
6.1 符合政府有關部門的要求
地源熱泵高效節(jié)能，環(huán)保效益好，符合我國的能源政策和環(huán)境保護政策，熱泵技術的綜合能源利用率約為120%～180%。所以國家把熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)技術作為鼓勵發(fā)展的通用節(jié)能技術促進了地源熱泵技術的發(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)可以代替原來的兩套系統(tǒng)，投資少。且地源熱泵占地少，運行成本低，管理方便，這些都符合業(yè)主的根本利益。
6.3 符合用戶的利益
地源熱泵供熱費用燃煤集中鍋爐房供熱費用的一半，夏季供冷費用約為冷水機組的60%，這就減少了用戶供熱供冷費用的支出，符合用戶的切身利益。
6.4 適用地區(qū)范圍廣
冷水機組只能用于夏季供冷，風冷機組只適用于長江流域的供熱供冷，而地源熱泵除即無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 應用范圍不斷擴展
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｀廣泛應用。據(jù)預測2000年這些行業(yè)應用地源熱泵1200多臺，且發(fā)展勢頭強勁。
綜上所述，地源熱泵技術以其獨有的優(yōu)點，近幾年在國內得到迅速發(fā)展。隨著我國能源結構政策的調整，我國以燃煤鍋爐采暖和空氣源熱泵供冷的傳統(tǒng)形式會被更加高效的地源熱泵所取代。隨著地源熱泵技術的研究和發(fā)展，它比將成為21世紀最普遍最有效的供熱供冷技術。
參考文獻
［1］劉興中.水源熱泵系統(tǒng)介紹.2001
?。?］吳展豪.地源熱泵空調系統(tǒng).2001
注：本文引至全國油區(qū)城鎮(zhèn)地熱開發(fā)利用經(jīng)驗交流會論文集，冶金工業(yè)出版社，2003
