論文摘要:闡述了地源熱泵技術(shù)的工作原理、分類及其應(yīng)用意義，分析了地源熱泵的特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)效益，介紹了地源熱泵的發(fā)展歷史以及國(guó)內(nèi)對(duì)地源熱泵的研究現(xiàn)狀，提出地源熱泵在我國(guó)節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展中具有廣闊的前景。
關(guān)鍵詞:地源熱泵 節(jié)能 環(huán)�！】沙掷m(xù)發(fā)展 研究
1引言
當(dāng)今社會(huì)由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口急劇增長(zhǎng)，世界性的生態(tài)破壞、環(huán)境污染和資源匿乏已經(jīng)達(dá)到自然生態(tài)環(huán)境所能承受的極限;能源、資源、環(huán)境的制約，已成為阻礙各國(guó)未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。為緩解巨大的能源與環(huán)境壓力，近年來節(jié)能減排已成為全社會(huì)發(fā)展的新主題。人們積極采取各種應(yīng)對(duì)措施，將可再生能源列人國(guó)家能源發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域，使能源結(jié)構(gòu)體系從以化石燃料為主體的能源時(shí)代過渡到可持續(xù)發(fā)展的能源時(shí)代。地源熱泵技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，就是人們選擇的應(yīng)對(duì)措施之一。地源熱泵技術(shù)是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源，實(shí)現(xiàn)向建筑物提供采暖、制冷和生活熱水的高效節(jié)能環(huán)保型空調(diào)技術(shù)。地源能是一種潔凈的可再生能源，它具有熱流密度大、容易收集和輸送、參數(shù)穩(wěn)定(流量、溫度)、使用方便、不受地域限制等優(yōu)點(diǎn)。熱泵的理論基礎(chǔ)源于卡諾循環(huán)，與制冷機(jī)相同，按照逆循環(huán)工作，即通過輸入少量的高品位能源(如電能)，以地源能作為熱泵夏季制冷的冷卻源、冬季采暖供熱的低溫?zé)嵩�。在冬季，把地能中的熱�?ldquo;取”出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖，同時(shí)儲(chǔ)存冷量，以備夏用;夏季通過熱泵對(duì)室內(nèi)進(jìn)行降溫，同時(shí)把室內(nèi)的熱量釋放到地下，進(jìn)行熱量?jī)?chǔ)存，以備冬用，大地在整個(gè)循環(huán)中起到了蓄熱器的作用。地源熱泵系統(tǒng)中70%能量是從大地中獲得的可再生能源。以其作為主要能源供給，既節(jié)約大量能源，又有效地減少, :及粉塵的排放。這項(xiàng)技術(shù)與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，優(yōu)勢(shì)在于它實(shí)現(xiàn)了節(jié)能與環(huán)保的統(tǒng)一。
2地源熱泵系統(tǒng)工作環(huán)境及原理
2.1地源熱泵的工作環(huán)境
距地下30~300 m之間的地層是一個(gè)恒溫帶，其溫度源于地球表面太陽(yáng)熱輻射和地核熱傳導(dǎo)的綜合作用，被人們稱為綜合平衡層又稱地下淺層。溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低。地源熱泵系統(tǒng)就是利用這一恒溫帶中的土壤、卵石、巖石中的地下含水層以及深層地表水作熱泵的源與匯，向建筑物冬季供熱、夏季供冷。
2.2.2供熱原理
圖1為地源熱泵供熱系統(tǒng)原理。其工作原理如下:首先在制冷回路內(nèi)充注制冷劑。壓縮機(jī)通入三相交流電高速旋轉(zhuǎn)，將低溫低壓制冷劑氣體吸入壓縮機(jī)。經(jīng)壓縮后變成高壓高溫氣體，該氣體經(jīng)冷凝器被冷卻水冷卻，又變成中壓中溫的制冷劑液體，該液體經(jīng)過膨脹閥節(jié)流減壓后送人蒸發(fā)器。由于蒸發(fā)器連接在壓縮機(jī)的吸氣口上，壓縮機(jī)不停地吸入蒸發(fā)器的制冷劑氣體，使得進(jìn)人蒸發(fā)器的大量制冷劑壓力減低，制冷劑進(jìn)一步大量蒸發(fā)。由于蒸發(fā)器另一側(cè)與室外地源換熱系統(tǒng)的地下潛水泵連接，所以當(dāng)?shù)叵滤罅苛鬟^蒸發(fā)器時(shí)，被蒸發(fā)的制冷劑帶走地下水中的大量熱量。這些低溫?zé)崃客ㄟ^被蒸發(fā)的制冷劑吸收變成了制冷劑熱量，又被源源不斷地吸人壓縮機(jī)。經(jīng)壓縮機(jī)壓縮之后，變成為80~90℃的高溫氣體，這些高溫氣體在通過冷凝器冷卻的同時(shí)，把大量的熱量傳給了冷凝器另一側(cè)，即室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)，也稱采暖系統(tǒng)。制冷劑氣體被冷卻的過程，也可以看做是將高溫?zé)崃總鬟f給冷卻系統(tǒng)的過程，或者是對(duì)采暖系統(tǒng)的加熱過程，采暖系統(tǒng)水溫一般為50～60℃通過室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)盤管或暖氣片向房間供熱。
從能量轉(zhuǎn)換角度來講，熱泵機(jī)組壓縮機(jī)將電能變?yōu)闄C(jī)械能，再將機(jī)械能變成為熱能。壓縮機(jī)輸出的總熱能為壓縮機(jī)電功率與壓縮機(jī)吸收來自地下的熱能之和，而地下熱能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓縮機(jī)的電功率。一般從地下水中提取的熱能是壓縮機(jī)電功率產(chǎn)生熱能的4~5倍，因此熱泵機(jī)組的能效比約為4.5，而電鍋爐的能效比為0.9~0.98。
2.2.3制冷原理
圖2是地源熱泵制冷系統(tǒng)原理。熱泵的制冷工作原理與圖1所示相同，制冷劑回路保持不變。但通過轉(zhuǎn)換閥門將室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)(即制冷回路)連接在蒸發(fā)器的吸熱端;室外地源換熱系統(tǒng)連接在冷凝器的放熱端。熱泵機(jī)組制冷時(shí)，壓縮機(jī)將吸熱端吸人的低溫低壓制冷劑氣體經(jīng)壓縮后變成高溫高壓制冷劑氣體排人冷凝器后，被接在冷凝器側(cè)地下水系統(tǒng)冷卻變成中溫中壓制冷劑液體。制冷劑液體通過膨脹閥節(jié)流減壓后，進(jìn)人蒸發(fā)器進(jìn)一步膨脹、蒸發(fā)、吸熱，使制冷劑由液體變成氣體又被壓縮機(jī)吸熱端吸人。再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，又變成高溫高壓制冷劑氣體排人冷凝器，同時(shí)也將蒸發(fā)器側(cè)的室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)(即空調(diào)房間)的熱量源源不斷地經(jīng)放熱端的冷凝器排人地下水中。吸收了水中熱量的制冷劑液體蒸發(fā)后又由液態(tài)變成氣態(tài)被壓縮機(jī)吸人、壓縮、放熱。周而復(fù)始、循環(huán)往復(fù)完成了制冷全過程。
將地源熱泵系統(tǒng)制冷時(shí)產(chǎn)生的廢熱回收，可制成50--55℃生活用熱水，節(jié)省用于制熱水耗用的燃油或煤，對(duì)空氣無污染，達(dá)到制熱水不耗能的節(jié)能效果;同時(shí)由于制出的冷凍水可補(bǔ)充到回水系統(tǒng)中，以降低回水系統(tǒng)的回水溫度，從而提高了制冷效率，降低了制冷系統(tǒng)的耗電量。
3地源熱泵的分類
按照冷熱源的不同，可將地源熱泵系統(tǒng)分為以利用土壤作為冷熱源的土壤源熱泵、以利用地下水為冷熱源的地下水熱泵系統(tǒng)和以利用地表水為冷熱源的地表水熱泵系統(tǒng)3類。
3.1土壤源熱泵
土壤源熱泵是利用地下巖土層中熱量進(jìn)行閉路循環(huán)的熱泵系統(tǒng)。熱泵的換熱器埋于地下，與大地進(jìn)行冷熱交換。它通過循環(huán)液(水或以水為主要成分的防凍液)在密閉地下埋管中的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的傳熱。冬季供熱時(shí)，流體從地下收集熱量，再通過系統(tǒng)把熱量帶到室內(nèi)。夏季制冷時(shí)系統(tǒng)逆向運(yùn)行，即從室內(nèi)帶走熱量，再通過系統(tǒng)將熱量送到地下巖土層中。
地下熱交換器的布置形式主要分為垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管3類。
垂直埋管換熱器通常采用的是U型方式，按其埋管深度可分為淺層(小于30 m)，中層(30~100 m)和深層(大于100 m)3種。垂直埋管換熱器熱泵系統(tǒng)占地面積小、需要的管材少、泵耗能低，單位管長(zhǎng)換熱量高于水平埋管，但造價(jià)相對(duì)要高。水平埋管換熱器有單管和多管2種形式，一般埋設(shè)深度為1.5-3.0 m。水平埋管換熱器造價(jià)相對(duì)低，目前廣泛使用。但需要較大場(chǎng)地、運(yùn)行性能不穩(wěn)定、泵耗能高、系統(tǒng)效率較低。蛇行埋管換熱器比較適用于場(chǎng)地有限的情況。雖然挖掘量只有單管水平埋管換熱器的20%~30%，但用管量會(huì)明顯增加。這種方式的特點(diǎn)類似水平埋管換熱器。
3.2地下水源熱泵
地下水源熱泵系統(tǒng)的熱源是從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。最常用的系統(tǒng)形式是采用一側(cè)連接地下水，一側(cè)連接熱泵機(jī)組(板式換熱器)。早期的地下水系統(tǒng)采用單井系統(tǒng)，即將地下水經(jīng)過板式換熱器換熱后直接排放。其缺點(diǎn)是既浪費(fèi)地下水資源，又容易造成地層塌陷，甚至引起地質(zhì)災(zāi)害。后來產(chǎn)生了雙井系統(tǒng)，一個(gè)井抽水，一個(gè)井回灌。地下水熱泵使用最多的是深為50 m以內(nèi)的淺井，其優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)比土壤源熱泵低、水井與水井之間很緊湊、占地面積小、技術(shù)比較成熟。缺點(diǎn)是可供的地下水有限、水處理要求嚴(yán)格、抽取的地下水全部回灌并且不能受到污染。現(xiàn)在更多采用的是1抽2回或2抽3~4回技術(shù)，這種技術(shù)目前沈陽(yáng)等城市采用較多。
3.3地表水源熱泵
地表水源熱泵系統(tǒng)的熱源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。地表水源熱泵主要分為閉路系統(tǒng)和開路系統(tǒng)。在寒冷地區(qū)，開路系統(tǒng)并不適用，只能采用閉路系統(tǒng)。地表水源熱泵具有造價(jià)相對(duì)低廉、泵耗能低、維修方便以及運(yùn)行費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)。但這種地表水源熱泵系統(tǒng)也受到自然條件的限制。在公用的河流中、管道或水中的其他設(shè)備容易受到損害。如果河流、湖泊過小或過淺，水的溫度會(huì)隨氣候發(fā)生較大的變化，容易產(chǎn)生效率降低、制冷或供熱能力降低的后果。這種技術(shù)沿海城市采用得較多。
4地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及經(jīng)濟(jì)效益
4.1充分利用自然資源實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能
太陽(yáng)能是取之不盡的可再生綠色能源，地表淺層相當(dāng)于一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，它收集了47%的太陽(yáng)能，比人類每年利用能量的500倍還多。地源熱泵在冬季就是利用這種儲(chǔ)存于地表淺層的無限的能源作為熱源;在夏季則以地表淺層恒定的地能溫度作冷源，只需小功率的壓縮機(jī)就可實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的空調(diào)系統(tǒng)。調(diào)研結(jié)果表明，使用地源熱泵技術(shù)比風(fēng)冷熱泵節(jié)能40%，比電采暖節(jié)能70%，比燃?xì)鉅t效率提高48%，所需制冷劑比一般空調(diào)減少50%，是真正意義上的高效節(jié)能。
4.2具有極大的環(huán)境效益
傳統(tǒng)的供暖、空調(diào)方式分別解決冬季供暖和夏季制冷。其系統(tǒng)投資大、占地多，且對(duì)環(huán)境的影響很嚴(yán)重。大氣是人類賴以生存的最基本環(huán)境要素之一。然而，由于冬季采用煤炭、燃油和天然氣等作為燃料，燃燒產(chǎn)生的大量污染物，包括大量的, , 等氣體造成的大氣污染，嚴(yán)重破壞著大氣環(huán)境，降低了人們的生活質(zhì)量。夏季使用的空調(diào)系統(tǒng)同樣存在著:排放，作為重要的溫室氣體是造成全球性氣候變化的主要因素之一.
將大量廢熱排人大氣，產(chǎn)生了熱島效應(yīng)，同時(shí)還產(chǎn)生令人難以忍受的噪音，使得外界空間環(huán)境條件更加惡化。而地源熱泵則利用大地的蓄熱能力，把夏季多余的熱能排人大地留作冬季取用，把冬季多余的冷能留作夏季取用，源頭上根除了空調(diào)系統(tǒng)對(duì)城市熱島的效應(yīng)。地源熱泵的污染物排放很低，系統(tǒng)所使用的制冷劑在工廠里注人并被完全密封，使用過程中絕無泄漏，用戶任何時(shí)候均不必添補(bǔ)制冷劑，因而減少了對(duì)臭氧層的破壞。熱泵系統(tǒng)可以建造在居民區(qū)內(nèi)，在冬季供暖時(shí)省去了鍋爐和鍋爐房，沒有燃燒，沒有排煙;也沒有廢棄物，不需要堆放燃料、廢物的場(chǎng)地，不用遠(yuǎn)距離輸送熱量，極大限度地改善其他空調(diào)方式的及顆粒物等污染物的排放量;供冷時(shí)省去了冷卻塔，避免了冷卻塔噪音及霉菌污染。地源熱泵所使用的地下水可全部回灌，不會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生污染;地源熱泵系統(tǒng)不直接消耗煤或燃油、天然氣等礦物燃料，從而達(dá)到了綠色環(huán)保的要求。
4.3運(yùn)行穩(wěn)定可靠且使用壽命長(zhǎng)
傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)不論是水冷還是風(fēng)冷，換熱環(huán)境均為大氣，由于它的換熱器必須置于暴露的空氣中，故不可避免地受到環(huán)境條件變化的影響，降低換熱效率和使用壽命，并且影響了建筑物的外觀;而地源熱泵以土壤作為熱源的主要優(yōu)點(diǎn)在于土壤溫度的相對(duì)穩(wěn)定，基本不受外界環(huán)境的影響;埋管熱交換器不需要除霜，減少了結(jié)霜和除霜的能耗;熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)部件比常規(guī)系統(tǒng)少，且安裝在室內(nèi)，自動(dòng)控制程度高，可無人值守;系統(tǒng)安全無燃燒設(shè)備，不存在爆炸、燃燒的隱患;由于系統(tǒng)不暴露在風(fēng)雨中，因而維護(hù)簡(jiǎn)便，機(jī)組使用壽命均在20 a以上，地埋管換熱器壽命可達(dá)40~50a;地源熱泵系統(tǒng)的供冷、供熱平穩(wěn)，降低了停、開機(jī)的頻率和空氣過熱和過冷的峰值;把地源熱泵換熱器埋于地下，也不會(huì)破壞建筑物的外觀。
4.4經(jīng)濟(jì)效益分析
地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性是由多方面來確定的。不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件、不同能源結(jié)構(gòu)及價(jià)格等都將直接影響到其經(jīng)濟(jì)性。以地源熱泵系統(tǒng)與其他能源方式的投資進(jìn)行比較(以北方綜合功能大廈為例)，結(jié)果見表1。
以北京100的家庭為例，冬季采暖125d總耗熱量為:100x 125dx24 hx3 600x0.05 kW= 5 400萬kJ，為獲得這么多熱量，選用不同的采暖方式，耗用的燃料、燃燒效率、能源成本均有不同。
統(tǒng)計(jì)可知，燃煤供暖最經(jīng)濟(jì)，但是由于北京地區(qū)已經(jīng)限制燃煤使用，綜合比較，地源熱泵系統(tǒng)為最佳選擇。
僅以燃油鍋爐與地源熱泵提供同樣供熱量為例，對(duì)地源熱泵的環(huán)保特性分析比較，假設(shè)地源熱泵的電力來源于燃油電廠。供熱量為5 400 GJ的情況下，燃油電廠鍋爐所需的燃油熱量為4 050 GJ;而如果直接使用燃油鍋爐，其熱效率為80%，則需燃油熱量為6 750 GJ。這兩種供熱情況排放對(duì)比見表2。
從表2看出，利用地源熱泵， , 和:的排放量分別減少了69% , 93%和73%，因此其環(huán)保優(yōu)勢(shì)十分明顯。
1套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)加生活用熱水的3套系統(tǒng);雖然初投資比常規(guī)燃煤鍋爐房供暖系統(tǒng)高出1~3倍，比熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)高出34%~50%。但根據(jù)國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，由于地源熱泵運(yùn)行費(fèi)用低，增加的初投資可在3~7 a內(nèi)收回，地源熱泵系統(tǒng)在整個(gè)服務(wù)周期內(nèi)的平均費(fèi)用將低于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)。初裝費(fèi)用確實(shí)比傳統(tǒng)系統(tǒng)要高一些，主要是鋪設(shè)地埋管換熱器，費(fèi)用貴在設(shè)計(jì)和安裝上，而每年省下的能源費(fèi)用支出，會(huì)很快抵消高出的系統(tǒng)安裝費(fèi)用，隨著時(shí)間的推移，從能源消費(fèi)的節(jié)省上可以很快收回投資。同時(shí)，系統(tǒng)近于免維護(hù)和維修，可節(jié)省大量開支。作為清潔能源之一，地源熱泵也一直受到國(guó)家的政策支持。北京市的政策規(guī)定，北京市內(nèi)建設(shè)的各類項(xiàng)目，供熱制冷系統(tǒng)選用熱泵系統(tǒng)的，將得到北京市固定資產(chǎn)投資中安排一次性補(bǔ)助，補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)為50元/。
沈陽(yáng)地區(qū)地下含水層透水性強(qiáng)，地面以下20 m之后基本為恒溫12℃。自然地理及水文地質(zhì)條件適合地源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用。由于地下含水層多為砂礫結(jié)構(gòu)，透水性強(qiáng)，可保證在不影響和破壞地下含水層的前提下常壓完全回灌。據(jù)統(tǒng)計(jì)，沈陽(yáng)每年冬天有1.8億的供熱面積，所以發(fā)展熱泵的空間廣闊。到目前為止，沈陽(yáng)已有地源熱泵面積超過3 000萬。根據(jù)遼寧省政府辦公廳要求:凡具備應(yīng)用地源熱泵等可再生能源技術(shù)條件的新建、改建、擴(kuò)建的建設(shè)項(xiàng)目，今后都必須采用“地?zé)?rdquo;供熱制冷。機(jī)關(guān)辦公場(chǎng)所、賓館、商場(chǎng)、寫字樓等耗能大戶，應(yīng)優(yōu)先選用地源熱泵。預(yù)計(jì)到2010年，沈陽(yáng)市可實(shí)現(xiàn)地源熱泵技術(shù)應(yīng)用面積6 500萬，占全市總供暖面積的30%左右。屆時(shí)，每個(gè)采暖期節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤將達(dá)126.55萬t，減少排放2．5萬t、煙塵1．9萬t。
5結(jié)語(yǔ)
在我國(guó)全面建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的進(jìn)程中，地源熱泵這一集節(jié)能、環(huán)保為一體的新技術(shù)，將越來越受到人們的重視與青睞。相信在不遠(yuǎn)的將來，經(jīng)過國(guó)內(nèi)工程技術(shù)人員的不懈努力并借鑒國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)的地源熱泵應(yīng)用將得到進(jìn)一步的推廣和發(fā)展，它將為我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展帶來新的契機(jī)。 |