試論環(huán)保節(jié)能地源熱泵技術(shù)應(yīng)用研究

1、試論環(huán)保節(jié)能地源熱泵技術(shù)應(yīng)用研究 【摘要】地源熱泵供熱系統(tǒng)工作原理，首先是在制冷回路內(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，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)。本文闡述了地源熱泵技術(shù)的分類及其應(yīng)用，分析了地源熱泵的特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)效益，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)保；可持續(xù)發(fā)展；研究 0.引言 地源熱泵技術(shù)是一種利用淺層常溫土壤的能量作為能源的既可供暖又可制冷并能提供生活熱水的新型熱泵技術(shù)。地源熱泵中的熱（冷）源不

2、是指地?zé)崽镏械臒釟饣驘幔兀┧?，而是指一般的常溫土壤，它?duì)地下熱源沒有特殊的要求，可在絕大部分地區(qū)應(yīng)用，不受地下水資源變化和管理的限制。所謂熱泵（heatpump）是一種從低溫?zé)嵩醇橙∧芰?，使其轉(zhuǎn)換成有用熱能的裝置。 1.地源熱泵的分類與應(yīng)用 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)三類。 1.1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

3、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三類。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30m），中層（30100m）和深層（大于100m）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1.5-3.0m。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

4、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。 1.2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50m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

5、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?，F(xiàn)在更多采用的是1抽2回或2抽34回技術(shù)，這種技術(shù)目前沈陽等城市采用較多。 1.3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。 2

6、.地源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展 2.1充分利用自然資源實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能 太陽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)巨大的太陽能集熱器，它收集了47%的太陽能，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。 2.2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

7、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

8、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。 2.3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)

9、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20a以上，地埋管換熱器壽命可達(dá)4050a；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。 2.4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

10、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，以北京100個(gè)家庭為例，冬季采暖125d總耗熱量為：100x125dx24hx3600x0.05kw=5400萬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5400gj的情況下，燃油電廠鍋爐所需的燃油熱量為4050gj；而如果直接使用燃油鍋爐，其熱效率為80%，則需燃油熱量為