淺談地源熱泵系統及其應用推廣

　　摘要：地源熱泵系統以淺層土壤為熱源，其熱力性能主要受到當地水文地質(zhì)條件的制約，進(jìn)而影響到整個(gè)系統經(jīng)濟性。本文深入淺出探討了地源熱泵系統設計中土壤熱響應問(wèn)題，并分析了地源熱泵系統的經(jīng)濟性?xún)?yōu)勢。

　　關(guān)鍵詞：地源熱泵,熱響應,換熱量,能耗

　　地源熱泵系統是一項涉及多方面學(xué)科的地能利用技術(shù),是利用地下淺層地熱能源，通過(guò)熱泵技術(shù)獲取可供空調使用的冷熱水的空調系統。地源熱泵分為水源熱泵和土壤源熱泵。二者不同之處是：水源熱泵直接利用水作為熱源，土壤源熱泵需要通過(guò)換熱器從土壤中獲取能量。地源熱泵空調系統通常由地源熱泵機組、地熱能換熱系統、建筑物內系統組成。

　　一、地源熱泵簡(jiǎn)介

　　地源熱泵系統是指以土壤、地下水和地表水作為熱源,由地源熱泵機組、地熱能交換系統、建筑物系統組成的供熱、供冷空調系統。在制熱狀態(tài)下,熱泵機組通過(guò)地下的水路循環(huán)吸收地下水或土壤里的熱量,傳至冷凝器,冷凝器產(chǎn)生熱水通過(guò)循環(huán)水泵送至空調末端設備對房間進(jìn)行供暖。在制冷狀態(tài)下,地源熱泵機組內的壓縮機對冷媒做功使其進(jìn)行汽-液轉化的循環(huán)將熱泵機組排放的熱量帶走,由此產(chǎn)生的冷水,通過(guò)循環(huán)水泵系統送至空調末端,對室內空間進(jìn)行供冷。這種系統利用的是清潔能源,不會(huì )對自然界的能量系統造成不利影響,不會(huì )產(chǎn)生多余的碳排放,環(huán)保效果顯著(zhù);并且,功能齊全,運行可靠,既可以用來(lái)供暖、也可以用來(lái)制冷,并且還能提供生活熱水。根據地熱能交換系統形式的不同,地源熱泵系統可以分為分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統。其中,地埋管地源熱泵系統由于對水環(huán)境擾動(dòng)較小,應用的最為廣泛,因此,我們接下來(lái)的分析將以地埋管地源熱泵系統為主。

　　二、地源熱泵系統設計中土壤熱響應探討

　　不同的地理位置,其土壤的導熱系數也不相同,這會(huì )使得換熱器的效果也存在著(zhù)一定的差別。因此,設計之前,必須首先要知道土壤的導熱系數。目前,確定土壤的導熱系數有兩種方法,即經(jīng)驗值估算法和熱響應測試法。前者誤差較大,在實(shí)際應用中已逐步淘汰,后者是通過(guò)加熱循環(huán)水方式將熱量釋放到地下,記錄進(jìn)/出水溫度、流量以及加熱功率來(lái)計算土壤的相關(guān)的導熱系數,這種方式相對來(lái)說(shuō)比較嚴密,但在實(shí)際應用也存在著(zhù)較大問(wèn)題,并直接影響了測試結果并進(jìn)而對設計產(chǎn)生了一定的誤導作用,其主要表現如下:

　　2.1流速不同產(chǎn)生的換熱量不同

　　相關(guān)資料表明,進(jìn)水溫度一定,熱流量與流速呈正比關(guān)系,但當流速增快時(shí),熱流量的變化率逐漸變小,與此同時(shí),流速的增加會(huì )增加循環(huán)水泵的功耗,因此,不同的工程應當都存在著(zhù)一個(gè)最佳的設計流速。為此,在進(jìn)行土壤熱響應測試的時(shí)候,應具有整體的觀(guān)念,要從整個(gè)系統的角度來(lái)設計,提供不同流速下的每延米孔深換熱量,以便于計算經(jīng)濟流速和地埋管換熱孔的總長(cháng)度。

　　2.2季節及施工因素的影響

　　地源熱泵系統工程的時(shí)間跨度相對比較短,一般只有1～3個(gè)月,因此,不可能在夏季和冬季都進(jìn)行熱響應測試,有時(shí)甚至由于受整個(gè)建筑工程施工進(jìn)度的制約,還會(huì )在春季和秋季這樣的不需要空調系統的季節進(jìn)行測試。盡管豎直埋管的深度通常都達到90～120m,在地下30m以上一般溫度不會(huì )受季節的影響,但是在地下0～30m處,土壤的初始溫度隨著(zhù)季節的變化而呈現出周期性變化。同時(shí)鉆孔機械散熱也會(huì )改變土壤的初始溫度。所有的這些都會(huì )導致測試結果與實(shí)際運行有所差別。因此,地埋管施工后,要等到土壤的溫度恢復至正常水平才能進(jìn)行測試,同時(shí),在測試的時(shí)候還需要結合當地的地址氣象資料確定每延米孔深的取熱量和放熱量。

　　三、地源熱泵的優(yōu)勢與應用

　　3.1 地源熱泵的優(yōu)勢

　　地源熱泵系統冬季代替鍋爐從土壤中取出熱量，以30～40℃左右的熱風(fēng)向建筑物供暖，夏季代替普通空調向土壤揮熱，地源熱泵技術(shù)節能效果顯著(zhù)，消耗1kw能量，用戶(hù)可以得到4kw以上的熱量或冷量。與鍋爐(電、燃料)供熱系統相比。土一氣型地源熱泵系統的轉換效率最高可達4.7，而鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70%～90%的燃料內能轉換為熱量供用戶(hù)使用，因此它要比電鍋爐加熱節省2/3以上的電能，比燃料鍋爐節省1/2以上的能量，運行費用為各種采暖設備的30%～70%。由于土壤的溫度全年穩定在10～20℃之間，其制冷、制熱系數可達3.5～4.7，與傳統的空氣源熱泵(家用窗式和分體式空調、中央式風(fēng)冷熱泵)相比，要高出40%以上，其運行費用僅為普通中央空調的50%～60%。夏季高溫差的散熱和冬季低溫差的取熱.使得土一氣型地源熱泵系統換熱效率很高。因此在產(chǎn)生同樣熱量或冷量時(shí)，只需小功率的壓縮機就可實(shí)現.從而達到節能的目的，其耗電量?jì)H為普通中央空調與鍋爐系統的40%～60%。它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，是一種的理想的“綠色技術(shù)”。

　　3.2 地源熱泵的應用

　　地源熱泵因其節能環(huán)保的優(yōu)勢受到越來(lái)越多的關(guān)注。全國各地開(kāi)始設立試點(diǎn)，大力開(kāi)發(fā)地源熱泵。冬季，地源熱泵機組通過(guò)壓縮機和熱交換器從地下水中吸收熱量，制熱時(shí)出水溫度最高可達90℃。沈陽(yáng)世博園主體建筑之一的玫瑰園就是采用地源熱泵系統。這座建筑充分利用了沈陽(yáng)的淺層地下熱能，保證了四季恒溫，而且整個(gè)世博園內沒(méi)有一根用于燃燒一次性能源的煙囪。為保證地源熱泵更經(jīng)濟、安全，有關(guān)部門(mén)開(kāi)展了相關(guān)課題的科研工作。其中，“混合式水源熱泵技術(shù)”有效解決了水源熱泵推廣應用中可能遇到的水資源不足、布井位置受限等問(wèn)題，實(shí)現了地源熱泵與傳統燃煤的雙向互補。世博園區中幾大地標性建筑——世博軸、世博中心、演藝中心和城市未來(lái)館都采用了地源熱泵系統加江水源熱泵系統。世博會(huì )主辦方表示，這些新型空調系統在“世博地標”中廣泛應用，不僅有效地減少了中央空調冷熱源系統的綜合能耗，緩解城市局部區域的“熱島”效應，更將成為地源熱泵未來(lái)大面積普及的催化劑。節能環(huán)保也是暖通空調行業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢。

　　四、結語(yǔ)

　　高效節能的地源熱泵系統將在暖通空調系統中占有更加廣闊的領(lǐng)域，低碳環(huán)保節能的思想將在全社會(huì )廣泛推廣，全社會(huì )將進(jìn)入一個(gè)可持續行發(fā)展的新階段。

　　參考文獻

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　　[2]趙進(jìn). 中埋地源熱泵系統運行特性分析與實(shí)驗研究[D]. 河北工程大學(xué): 河北工程大學(xué),2011.

　　[3]張靜波,吳建兵,壽煒煒. 上海地區地埋管地源熱泵和空氣源熱泵的節能性分析[J]. 暖通空調,2011,(3).

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