淺談地源熱泵技術(shù)與節(jié)能

　　摘要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，公共建筑和住宅的供暖和空調(diào)已經(jīng)成為普遍的要求。作為中國傳統(tǒng)供熱的燃煤鍋爐不僅能源利用率低、運行費用高，而且還會給大氣造成嚴(yán)重的污染，因此一些城市已經(jīng)在逐漸淘汰燃煤鍋爐，地源熱泵技術(shù)正是在這種形勢下應(yīng)運而生、逐步推廣的一種在技術(shù)上和經(jīng)濟上都具有較大優(yōu)勢的解決供熱和空調(diào)的替代方式。本文重點概述了地源熱泵的概念、技術(shù)原理、發(fā)展現(xiàn)狀，描述了它的優(yōu)勢與不足之處，進(jìn)而通過分析我國能源消費結(jié)構(gòu)展現(xiàn)它在節(jié)能方面發(fā)揮的巨大作用。

　　關(guān)鍵詞：地源熱泵,節(jié)能

　　地源熱泵實際上是一項非常古老的技術(shù)，四十年代便有應(yīng)用，只是近五年來相關(guān)技術(shù)發(fā)展，使其迅速商業(yè)化。地源熱泵的名稱最早出現(xiàn)在1912年瑞士的一份專利文獻(xiàn)中，20世紀(jì)50年代歐洲出現(xiàn)了利用地源熱泵的第一次高潮。在此期間，Ingersoll和Plass根據(jù)Kelvin線源概念提出了地下埋管換熱器的線熱源理論，但當(dāng)時由于能源價格低，系統(tǒng)造價高，沒有得到廣泛應(yīng)用。70年代，石油危機把人們的注意力集中到節(jié)能、高效益使用能源，使地源熱泵的發(fā)展進(jìn)入了高潮階段。這個時期歐洲建立了不少水平埋管換熱器的地源熱泵，但主要用于冬季供暖。80年代初開始，美國、加拿大開展了冷暖聯(lián)供地源熱泵方面的研究工作，不少文獻(xiàn)報道了地源熱泵不同形式地下埋管換熱器的傳熱過程及模型，并有部分工程的運行總結(jié)和性能比較。地源熱泵技術(shù)的發(fā)展與廣泛的實際應(yīng)用讓我們看到它未來的發(fā)展?jié)摿κ菬o限的，該項技術(shù)將會成為21世紀(jì)最有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)，因此對于它的研究十分重要。

　　一、地源熱泵的工作原理

　　地源熱泵是逆卡諾原理的應(yīng)用，從外部供給熱泵較小的耗功W，從低溫環(huán)境中吸收大量的低溫?zé)崮?，從而使熱泵可以輸出溫度更高的熱能，并送到高溫環(huán)境中。地源熱泵是利用水源熱泵的一種形式，它是利用水與地能(地下水、土壤或地表水)進(jìn)行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量“取”出來，供給室內(nèi)采暖，此時地能為“熱源”;夏季把室內(nèi)熱量取出來，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時地能為“冷源”。

　　根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱可以自發(fā)地由高溫物體傳向低溫物體，而由低溫物體傳向高溫物體則必須做功。熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)了把能量由低溫物體向高溫物體的傳遞，它是以花費一部分高質(zhì)能(電能)為代價，從自然環(huán)境中獲取能量，并連同所花費的高質(zhì)能一起向用戶供熱。熱泵的供熱量大于所消耗的功量，是綜合利用能源的一種很有價值的措施。

　　二、 地源熱泵技術(shù)路線

　　地源熱泵技術(shù)路線有以下兩種：土--氣型地源熱泵技術(shù)和水--水型地源熱泵技術(shù)

　　土--氣型地源熱泵技術(shù)以美國的技術(shù)為代表，水--水地源熱泵技術(shù)以北歐的技術(shù)為代表。二者的差別是：前者從淺層土壤或地下水中取熱或向其排熱，通過分散布置于各個房間的地源熱泵機組直接轉(zhuǎn)換成熱風(fēng)或冷風(fēng)為房間供暖或制冷。后者是從地下水中取熱或向其排熱，經(jīng)過熱泵機組轉(zhuǎn)換成熱水或冷水，然后再經(jīng)過布置在各個房間的風(fēng)機盤管轉(zhuǎn)換成熱風(fēng)或冷風(fēng)給房間供暖或制冷。由于美國的土--氣型地源熱泵技術(shù)，可以不用地下水，采用埋設(shè)垂直管、水平管或向地表水拋設(shè)管路等多種方式，直接從淺層土壤取效或向其排熱，不受地下水開采的限制，推廣的范圍更大、更靈活。

　　三、地源熱泵特點

　　1.屬可再生能源利用技術(shù)

　　2.屬經(jīng)濟有效的節(jié)能技術(shù)

　　3.環(huán)境效益顯著

　　4.一機多用，應(yīng)用范圍廣

　　當(dāng)然，象任何事物一樣，地源熱泵也不是十全十美的，如其應(yīng)用會受到不同地區(qū)、不同用戶及國家能源政策、燃料價格的影響;一次性投資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同;采用地下水的利用方式，會受到當(dāng)?shù)氐叵滤Y源的制約，實際上地源熱泵并不需要開采地下水，所使用的地下水可全部回灌，不會對水質(zhì)產(chǎn)生污染。

　　地源熱泵也存在一定的缺點：其受大地溫度和土壤熱物性影響較大，土壤的導(dǎo)熱系數(shù)較小，換熱量就小;連續(xù)運行時，熱泵的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度易受影響發(fā)生波動，這也是最需解決的問題。

　　四、地源熱泵為什么能節(jié)能

　　空調(diào)的作用和目的就是將熱能進(jìn)行空間轉(zhuǎn)移。

　　(一)實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)移的條件

　　熱能轉(zhuǎn)移是靠熱能交換來實現(xiàn)的，要實現(xiàn)熱能交換必須存在三個條件：

　　1.存在能裝載熱能的載體(如水、氟利氨、室內(nèi)空氣、室外空氣、地下土壤等)。

　　2.進(jìn)行熱交換的載體必須存在溫度差

　　3.進(jìn)行熱交換的載體必須存在直接接觸面

　　一般來講：室內(nèi)空氣與室外空氣因沒有溫度差不會發(fā)生熱交換，同樣室內(nèi)空氣與地下土壤因沒有直接接觸面也不會發(fā)生熱交換;而空調(diào)機的作用就是利用電能將第三種載體的熱能進(jìn)行增加或降低，從而造成第三種載體溫度增加或降低，產(chǎn)生第三種載體與室內(nèi)空氣、室外空氣(或地下土壤)存在一定的溫度差，同時第三種載體既與室內(nèi)空氣直接接觸，又與室外空氣(或地下土壤)直接接觸;總而言之，利用空調(diào)機組將不能進(jìn)行熱交換的載體變成可進(jìn)行熱交換的載體，從而達(dá)到熱能轉(zhuǎn)移的目的;當(dāng)然為達(dá)到這一目的必須消耗一定的電能。

　　(二)影響熱量轉(zhuǎn)移效率的因素

　　影響熱能轉(zhuǎn)移的因素有以下幾種：

　　1.熱能載體間的溫度差：溫度差越大，熱能交換越快，交換量越大，效率越高。

　　2.熱能載體的流量：流量越大，熱能交換越快，交換量越大，效率越高。

　　3.熱交換的直接接觸面積：面積越大，熱能交換越快，交換量越大，效率越高。

　　以上幾種因素相互影響，相互制約，當(dāng)然，熱交換的效率越高，表明損失的熱能越少，空調(diào)機組的綜合性能系數(shù)越高，相應(yīng)的消耗的電能就越少

　　(三)空調(diào)機組熱交換效率的分析

　　空調(diào)機組的電能消耗包括三部分：與室內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換而消耗的電能(室內(nèi)機)、空調(diào)機組內(nèi)部進(jìn)行的熱交換而消耗的電能(主機)，與室外空氣(地下土壤)進(jìn)行熱交換而消耗的電能，其中與室外空氣進(jìn)行熱交換而消耗的電能占空調(diào)耗電的50%以上，

　　無論采用哪種類型的空調(diào)機組，其中室內(nèi)熱交換部分的耗電和主機熱交換部分的耗電是差不多的，交換效率相同，但是與室外空氣(地下土壤)熱交換的效率因環(huán)境工況不同而大不一樣，效率和耗電差異很大;因此在這里我們主要分析機組與室外空氣(或地下土壤)進(jìn)行熱交換的效率

　　1、普通空調(diào)(空氣源熱泵)熱交換效率分析

　　夏季時，室外側(cè)載體(與室外空氣進(jìn)行熱交換的載體)經(jīng)主機熱交換后的溫度一般都達(dá)到40℃，而環(huán)境空氣溫度一般在32∽37℃;溫度差在8∽3℃左右;冬季時，室外側(cè)載體經(jīng)主機熱交換后的溫度一般只達(dá)到6℃，而環(huán)境空氣溫度一般在7∽10℃;溫度差在1∽4℃左右。這么低的溫差造成自然的熱交換效果肯定差。我們常說的最熱時或最冷時的空調(diào)效果很差就這個原因造成的。

　　2、地源熱泵效率分析

　　因地下土壤的環(huán)境溫度一年四季比較恒定，均處在14∽18℃左右;而且不受氣候變化影響。夏季時，室外側(cè)載體經(jīng)主機熱交換后的溫度一般都達(dá)到40℃，與土壤環(huán)境溫度的溫度差在26∽22℃左右;冬季時，室外側(cè)載體經(jīng)主機熱交換后的溫度一般只達(dá)到6℃，與土壤環(huán)境溫度的溫度差在8∽12℃左右。這么高的溫差造成自然的熱交換效果肯定好。

　　通過上述效率的分析，普通空調(diào)(空氣源熱泵)換熱效率低，而直接接觸面積受到設(shè)備空間限制，只有靠增加風(fēng)的流量來滿足機組需要的熱能轉(zhuǎn)移要求，從而增加風(fēng)扇的電功率。增大了耗電能量，降低空調(diào)的綜合能效系數(shù);但是地源熱泵換熱效率高，接觸面積不受限制，只要當(dāng)接觸面積達(dá)到一定值時，就不需要增加任何用電設(shè)備來提高載體的流量就能滿足機組的熱量轉(zhuǎn)移要求，基本上不需要消耗電能，當(dāng)然這也是地源熱泵初次投資高的原因

　　四、普通空調(diào)(空氣源熱泵)與地源熱泵的綜合性能系數(shù)

　　一般的，空調(diào)都有一個耗電指標(biāo)：綜合性能系數(shù)EER值;普通空調(diào)(空氣源熱泵)EER值一般在2.5-3.5之間，意思就是空調(diào)消耗1KW的電能，能得到2.5-3.5KW的制冷(熱)量。而地源熱泵的EER值一般在5以上，最高能達(dá)到7，也就是說，消耗1KW的電能，能得到5∽7KW的制冷(熱)量。

　　通過對EER值的比較，我們不難看出，地源熱泵空調(diào)比普通空調(diào)(空氣源熱泵)省電50%左右，這就是地源熱泵節(jié)能省電的原因。

　　五、地源熱泵應(yīng)用方式

　　地源熱泵的應(yīng)用方式從應(yīng)用的建筑物對象可分為家用和商用兩大類，從輸送冷熱量方式可分為集中系統(tǒng)、分散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。

　　1.家用系統(tǒng)

　　用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風(fēng)管輸送系統(tǒng)進(jìn)行冷熱供應(yīng)，多用于小型住宅，別墅等戶式空調(diào)。

　　2.集中系統(tǒng)

　　熱泵布置在機房內(nèi)，冷熱量集中通過風(fēng)道或水路分配系統(tǒng)送到各房間。

　　3.分散系統(tǒng)

　　用中央水泵，采用水環(huán)路方式將水送到各用戶作為冷熱源，用戶單獨使用自己的熱泵機組調(diào)節(jié)空氣。一般用于辦公樓、學(xué)校、商用建筑等，此系統(tǒng)可將用戶使用的冷熱量完全反應(yīng)在用電上，便于計量，適用于目前的獨立熱計量要求。

　　4.混合系統(tǒng)

　　將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯(lián)合使用作為冷熱源的系統(tǒng)，混合系統(tǒng)與分散系統(tǒng)非常類似，只是冷熱源系統(tǒng)增加了冷卻塔或鍋爐。

　　南方地區(qū)，冷負(fù)荷大，熱負(fù)荷低，夏季適合聯(lián)合使用地源和冷卻塔，冬季只使用地源。北方地區(qū)，熱負(fù)荷大，冷負(fù)荷低，冬季適合聯(lián)合使用地源和鍋爐，夏季只使用地源。這樣可減少地源的容量和尺寸，節(jié)省投資。

　　(三)地源熱泵節(jié)能意義

　　面對嚴(yán)峻的能源形勢，國家總的能源政策還是節(jié)能和新能源開發(fā)、再生能源利用并重，因此，地源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用在我國具有極大的現(xiàn)實意義。地源熱泵比風(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—般熱泵空調(diào)減少50%。從降低運行費用、節(jié)省能源、減少排放CO：排放量來看地源熱泵技術(shù)是一個不錯的選擇。地源熱泵是一一種先進(jìn)的技術(shù)，它高效、節(jié)能、環(huán)保，有利于可持續(xù)發(fā)展。地源熱泵的能量來源于自然能源，它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，是一種理想的綠色空調(diào)”。被認(rèn)為是目前可使用的對環(huán)境最友好和最有效的供熱、供冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)無論嚴(yán)寒地區(qū)還是熱帶地區(qū)均可應(yīng)用，可廣闊應(yīng)用在辦公樓、賓館、學(xué)校、宿舍、醫(yī)院、飯店、商場、別墅、住宅等領(lǐng)域。

　　結(jié)論

　　進(jìn)入21世紀(jì)以來，已經(jīng)成為世界經(jīng)濟發(fā)展的潮流。發(fā)展知識經(jīng)濟要求人們加強經(jīng)濟運行過程中以智力資源對物質(zhì)資源的替代，實現(xiàn)經(jīng)濟活動向知識化轉(zhuǎn)變;發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟要求以環(huán)境友好的方式利用自然資源、經(jīng)濟資源、環(huán)境容量，實現(xiàn)經(jīng)濟活動向生態(tài)化轉(zhuǎn)變。與此同時中國的經(jīng)濟社會卻面臨著資源尤其是能源短缺的制約。地源熱泵技術(shù)的研究與推廣正是順應(yīng)了發(fā)展知識經(jīng)濟和循環(huán)經(jīng)濟的潮流，為我國能源短缺問題提供了一種很好的解決方式。國家與企業(yè)應(yīng)當(dāng)重視地源熱泵技術(shù)的研發(fā)與實際推廣應(yīng)用，為我國更好的發(fā)展與生活創(chuàng)造條件。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]夏偉.淺談地源熱泵技術(shù)方黑龍江科技信息.2010年第1期

　　[2]王德榮.地源熱泵技術(shù)及其節(jié)能效益分析[J].大眾用電.2005年第6期

　　本文選自《施工技術(shù)》。  《施工技術(shù)》創(chuàng)刊于1958年，是由中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部主管，亞太建設(shè)科技信息研究院、中國建筑設(shè)計研究院、中國建筑工程總公司、中國土木工程學(xué)會主辦，國際刊號ISSN:1002-8498,國內(nèi)刊號CN:11-2831/TU.國內(nèi)建設(shè)系統(tǒng)的國家級、核心科技期刊。
 

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