摘要:地源熟泵技术是目前有效利用现有低温地熟资源的一种重要方法。文章介绍了地源热泵系统的工作原理及分类,以及地源热泵系统的优缺点和发展前景。
关键词:地源热泵系统,地表水系统,地下水系统,埋地管系统
地源热泵系统是一种利用大自然中蕴藏着大量的较低温度的低品位热能(也称自然能源,包括大气、地表水、海水,地下水、土壤等)的既可供热又可制冷的高效节能系统。
一、地源热泵系统的基本原理
地源热泵系统,尤其是地埋管水源热泵系统和地下水水源热泵系统,都是将地下30～300 m的恒温带中的土壤、卵石、岩石和含水层作为热泵系统的“热源”和“热汇”。在夏季供冷时,向地下排放冷凝热,经整个夏季冷凝热排放与积聚后,此地的恒温带会形成局部的4～6℃的温升;在冬季供热时,热泵要从地下不断吸取这部分所储存的低温热量,经热泵升温后向建筑供暖。如果热泵系统冬季从地下累计吸取的热量等于夏季累计排放的热量,则此地的恒温带会形成局部的4～6℃的温降,经一年的供冷供暖周期后又恢复到原始的恒温带温度。但是任何实际的地源热泵系统,其夏季累计冷负荷不会等于冬季累计热负荷,夏季累计向地下释放的热量一般,也不会等于冬季从地下吸取的热量。
二、地源热泵系统的分类
1)地表水系统。如果空调建筑附近有河、湖、水池等地表水,可将闭环换热盘管放人河水、湖水、水池中作为地源热泵的室外系统。夏季从热泵冷凝器吸热后的冷却水经密封的管道系统进入湖或池中,利用温度稳定的湖水或池中水散热。冬季吸取湖水或池水的热量并将热量传递给热泵机组的蒸发器。这种方式可以保证河水(湖水)的水质不受到任何影响,而且可以大大降低室外换热系统的施工费。
2)地下水系统。另一种室外系统可采用地下水系统,地下水系统一般采用开环系统,包括一定数星的抽水井和回灌井。冷却水经热交换器向地下深井散热(冬季吸热),地下水从取水井中抽取进入热交换器吸热(冬季散热)后由回水井回灌到地下。地下水系统适用于地下水丰富的地区。地下水的温度常年稳定,不受外界气温影响,所以热泵机组可以高效运行。
3)埋地管系统。对于地表水地下水缺乏的地区,室外地能换热系统用埋地管系统。将换热盘管深埋于地下土壤中,循环水经水管壁面直接与土壤进行热交换。夏季循环水将制冷机组吸收的热量向土壤散热,冬季从土壤吸热并将热量经由热泵机组传递至室内。这种热泵系统也称土壤源热泵。由于埋管技术较为复杂,所需埋设的管道较长,总体造价较高,一般适合于建筑面积较小时采用。
三、地源热泵系统的优缺点与适用条件
这里所谓的地源热泵系统的优缺点都是相对空气源热泵系统而言的。空气源热泵系统的“源”和“汇”是室外空气,由于室外空气的温度不但有一年四季的变化,而且还有昼夜24 h的变化,所以其制冷量或制热量的输出是极不稳定的。而地源热泵系统是以地下30～300 m的土壤、砂土、砾石、岩石和含水层作为热泵系统的“源”和“汇”,该层地温一年四季恒定,既不受地表温度变化的影响,也不受地心高温的影响。因此,地源热泵系统的第一个优点是其制冷量或制热量输出是常年稳定的。第二个优点是高效率。对空气源热泵系统来说,在夏季随着室外气温的升高,冷需求加大,而其制冷量与EER逐渐降低。相反,在冬季,随着室外气温下降,热需求增大,而其制热量与COP也逐渐降低。但对地源热泵系统来说,就不存在此问题。夏季制冷时地下“汇”的温度一般能维持在20℃左右,冬季制热时地下“源”的温度一般能维持在10℃左右,因此其制冷与制热效率一般均可比空气源热泵效率高20%～40%。第三个优点是,当冬季从地下累计取热量与夏季向地下累计放热量相等时,地源热泵系统可以不设任何冷却塔和辅助加热设备,减少了维护费用,使建筑的外立面更加美观。第四个优点是,可充分利用夏季制冷时的冷凝热,有效减轻了城市的夏季热岛效应,同时也改善了热泵系统的效率,还可提供全年的生活热水。
地源热泵系统的缺点首先是投资高。因为地下钻井埋管与打井都需要高额的工程建设费,尤其是在现场地质水文条件恶劣的情况下更为突出。在一些工程中,其地下钻眼埋管或打井费用甚至与地上空调系统的建设费用接近。其次是地源热泵系统的全年供冷(热)性能和经济性依赖于建筑的冷(热)负荷计算、设备选用和地下埋管或水井设计计算与施工。第三是目前国内熟悉地源热泵系统的合格设计人员有限。最后就是目前国内有经验的、合格的承包商不多。地源热泵系统既不是万能的系统,也不是在任何地方都能使用的系统。鉴于地源热泵系统是利用地下30～300 m且温度不低又不高的恒温带“源”和“汇”的地下环境,以及全年空调热泵自身夏季排热与冬季取热的特点,确保了热泵的高效、稳定、持续运行。
因此,地源热泵系统的建设一般应遵循以下适用条件:①全年室外空气平均温度(或地下恒温带温度)处于10～20℃的地域;②具有经济的打井地质条件及拥有合适浅层地下水资源的地域;③全年向地下总排热量和总取热量相等或接近的供热供冷工程;④夏季供冷温度不低于5℃,冬季供热温度不高于60℃的工程。
四、地源热泵系统发展的前景
虽然存在各种困难,地源热泵技术作为一项有效的暖通空调节能技术,因其自身的清洁、节能等特点,存在一定的推广价值。在国外,由于起步较早,此技术已经基本成熟,并开始逐步应用于各种建筑中,并且针对不断出现的问题进行调整。国内因为研究工作开展相对较晚,目前还没有独立进行的成功的工程实例。随着暖通空调技术的发展,对地源热泵的一些制约因素将会被逐步克服,甚至可能会转化为促进这项技术发展有利的条件。我国地域辽阔,各地的气候条件和土壤条件各不相同,其中大部分地区夏热冬冷,适合地源热泵的使用范围。此外,根据地源热泵系统的特点,还可考虑在其它需要供热的行业使用。如现代设施农业中温室需要提供的热水温度一般比空调系统低,夏季降温的要求也比空调建筑低,利用地源热泵系统可以降低运行成本,很好地发挥其优点;在养殖行业,需要提供合适的水温,也可以充分采用地源热泵系统。总之,只要扬长避短,正确定位,地源热泵系统是有很大发展空间的。
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