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地源热泵系统

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时间:2013-2-21

 

1、引言 

地源热泵系统是一种高效节能型并能实现可持续发展的新技术。这种技术是将土壤等地下蓄热体中的能量用于建筑物的热交换,从而利用低品位能源来实现节能的目的。地源热泵一般不会污染地下水,不会引起地面沉降;可以通过调整换热器的埋置深度,避免对浅层土壤中的微生物环境造成破坏。合理利用自然资源,减少常规能源消耗,地源热泵越来越呈现其独特的优势,并成为一种高效节能、无污染的可再生能源系统。地源热泵系统可用于空调系统的冷热源。

2、地源热泵技术概述 

地源热泵(GSHP- ground source heat pumps)大致分为三类,即土壤热泵、地下水源热泵和地表水源热泵。地源热泵属于人工冷热源,可以取代锅炉或城市供热管网等系统。冬季它从土壤、地下水或者地表水中取热,向建筑物供暖;夏季它将普通空调系统携带的热量向土壤、地下水或者地表水释放,永利皇宫|永利皇宫娱乐|永利皇宫线上娱乐:从而实现建筑物制冷;同时,它还可供应生活用水,可谓一举三得,是一种有效的利用能源的方式。

3、地源热泵工作原理 

在制冷工况下,压缩机4对冷媒做功,使其进行汽-液转化的逆卡诺循环。冷媒在蒸发器7内蒸发,将空调系统所携带的建筑物内的热量吸收至冷媒中,在冷媒循环的同时再通过冷凝器3内冷媒的冷凝,由水路循环将冷媒所携带的热量吸收,最终由水路循环通过埋地盘管1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,通过空调系统末端装置8,以13℃以下的冷风的形式为房间供冷。

在制热工况下,压缩机4对热媒做功,并通过换向阀5将热媒流动方向换向。由地下的水路循环通过盘管1吸收地下水或土壤里的热量,通过冷凝器3(此时转为蒸发器)内热媒的蒸发,将水路循环中的热量吸收至热媒中,在热媒循环的同时再通过蒸发器7(此时转为冷凝器)内热媒的冷凝,将热媒所携带的热量转移至空调系统。在地下的热量不断转移至室内的过程中,并通过末端装置8,以35℃以上热风的形式向室内供暖。当空调系统回路、热泵机组、地源水系统回路三部分分置时,所组成的系统为地源热泵空调系统;当空调系统回路与热泵机组合二为一,地源水系统回路延伸至建筑物内时,所组成的系统为地源水环热泵空调系统。

4、地源热泵系统形式

4.1狭义地源热泵热源系统——土壤热交换器

土壤热交换器热源系统,是利用地下岩土中热量的闭路循环的地源热泵系统,通常称之为闭路地源热泵"。它通过循环液(水或以水为主要成分的防冻液)在封闭地下埋管中的流动,实现系统与大地之间的传热。地下耦合热泵系统在结构上的特点是有一个由地下埋管组成的地热换热器。地热换热器的设置形式主要有水平埋管和垂直埋管两种。水平埋管形式是在地面开12m深的沟,每个沟中埋设246根塑料管。垂直埋管的形式是在地层中钻直径为0.10.15m的钻孔,在钻孔中设置1组(2根)或2组(4根)U型管并用灌井材料填实。钻孔的深度通常为40200m。现场可用的地表面积是选择地热换热器形式的决定性因素。竖直埋管的地热换热器可以比水平埋管节省很多土地面积,因此更适合中国地少人多的国情。管沟或竖井中的热交换器成并联连接,再通过集管进入建筑中与建筑物内的水环路相连接。在液体温度较低时,系统中需加入防冻液,北方地区应用时应特别注意。 

4.2地下水地表水换热器

4.2.1地下水热源系统

从水井或废弃的矿井中抽取的地下水,经过换热的地下水可以排入地表水系统,但对于较大的应用项目通常要求通过回灌井把地下水回灌到原来的地下水层。水质良好的地下水可直接进入热泵换热,之后将井水回灌地下,这样的系统称为开式系统。由于可能导致管路阻塞,更重要的是可能导致腐蚀发生,通常建议不在地源热泵系统中直接应用地下水。开式系统在适当的地下水条件和建筑物参数下是一个有吸引力的选择方式,但必须谨慎的使用。

实际工程中更多采用闭式环路的热泵循环水系统,即采用板式换热器把地下水和通过热泵的循环水分隔开,以防止地下水中的泥沙和腐蚀性杂质对热泵造成影响。通常系统包括带潜水泵的取水井和回灌井。板式热交换器采取小温差换热的方式运行,根据温度和地下水深度的不同,可以在很大程度上抵消开式系统在性能上的优势。由于地下水温常年基本恒定,夏季比室外空气温度低,冬季比室外空气温度高,且具有较大的热容量,因此地下水热泵系统的效率比空气源热泵高,COP值一般在34.5,并且不存在结霜等问题。最近几年地下水源热泵系统在我国得到了迅速发展。

无论是深井水,还是地下热水都是热泵的良好低位热源。地下水位于较深的地方,由于地层的隔热作用,其温度随气温的波动很小,特别是深井水的水温常年基本不变,对热泵的运行十分有利。

4.2.2地表水热源系统

由潜在水面以下的、多重并联的塑料管组成的热交换器取代了土壤热交换器,与土壤热交换地源热泵一样,它们被连接到建筑物中,并且在北方地区需要进行防冻处理。

地表水热泵系统的一个热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大量自然水体的地方利用这些自然水体作为热泵的低温热源是值得考虑的一种空调热泵的形式。热泵与地表水的换热可采用开式循环或闭路循环的形式。开式循环是用水泵抽取地表水在换热器中与热泵的循环液换热后再排入水体。但水质较差时在换热器中会产生污垢,影响传热,甚至影响系统的正常运行。更常用的地表水热泵系统采用闭路循环,即把多组塑料盘管沉入水体中,热泵的循环液通过盘管与水体换热,可以避免水质不良引起的污垢和腐蚀问题。

在实际工程中,有大量的应用特性可以帮助我们决定以上系统中的哪一种形式最适宜选择。

其中包括可用地下水含量、可用地表水面积、现场土地面积、潜在热回收能力、建筑物高度和规模、机房面积和当地规划要求等。 

5、地源热泵系统的优点 

地源热泵与常规空调技术相比有着明显的优势。

5.1高效节能,实现能源再生利用 

夏季高温差的散热和冬季低温差的取热,使得地源热泵系统换热效率很高。因此在产生同样热量或冷量的时候,只需小功率的压缩机就可实现,从而达到节能的目的,其耗电量仅为普通中央空调与锅炉系统的40%60%。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器,收集了47%的太阳所散发到地球上的能量,比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制,真正实现了量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层并类似于一种无限的可再生能源,使得地能也成为清洁的可再生能源的一种形式。调研结果表明,使用地源热泵技术,仅供暖季,就可节省能源30%~50%。

5.2绿色、环保无污染 

地源热泵的污染物排放,与空气源热泵相比,减少40%以上,与电供暖相比,减少70%以上,如果结合其他节能措施节能减排量会更明显。地源热泵系统在冬季供暖时,不需要锅炉,无燃烧产物排放,可大幅度降低颗粒物等污染物的排放量,保护了环境。

5.3初投资增加,但运行维护费用低廉

调研结果表明,地源热泵系统初投资费用,比目前常规燃煤锅炉供暖系统,高出13倍,比热电联产集中供热系统,高出34%~150%。但这种比较,均未计算传统供热输送基础设施投资,也未量化计算地源热泵系统,除供暖,还能制冷,提供新风、热水,带来的成本上节约。据专家初步计算,使用地源热泵技术,投资增量回收期约为410年。

调研结果表明,63%的地源热泵项目低于燃煤集中供热的采暖价格,全部被调查项目均低于燃油、燃气和电锅炉供暖价格。

6、地源热泵系统在应用中须解决的问题

(1)地源热泵系统对土壤换热器材质的要求较高,埋设换热器需要较大的场地,系统投资也较其它方式要高,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)对土壤环境的影响。土壤埋管式热泵系统的运行,势必引起土壤环境温度的剧烈变化,在其影响范围内的土壤微生物环境也将出现剧烈变化。土壤换热器的埋置深度的大小,将影响建设投资的大小,同时也决定系统对植物根系、土壤微生物、建筑物基础的影响程度。地下水源热泵系统、地表水源热泵系统对水系统环境的影响也应进行研究。

(3)地源热泵系统要有丰富和稳定的地下水资源。采用地下水热泵系统之前,应进行详细的水文地质调查,并先打勘测井,以获取地下温度、地下水深度、水质和出水量等数据。如果地下水位较低,不仅成井的费用增加,水泵的运行能耗也将大大增加。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,在某些水文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。

(4)地表水源热泵系统受丰水、枯水等自然条件的影响较大。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数有关,需要根据具体情况进行计算。  

7、结束语 

  在建筑供热空调中采用地源热泵技术可以有效地提高一次能源利用率,减少温室效应气体二氧化碳和其它燃烧产生的污染物的排放,是一种高效节能、无污染的可再生能源系统,是可持续发展的建筑节能新技术。推广地源热泵技术需要政府制定鼓励使用新型可再生能源的经济政策。电力供应不足和人民群众消费水平较低曾经是供热空调中应用热泵技术的主要制约因素,随着改革开放以来我国经济的发展和人民生活水平的提高,以上两个制约因素已不复存在,空调和供热已成为普通百姓的需求,并逐渐向农村和南方扩展,市场前景很好。通过政府部门、科研机构和工程技术人员的共同努力,借鉴国外的成功经验,我国的地源热泵应用将得到较快的推广和发展。

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