摘要:地源热泵系统具有节能、环保、高效等优点,具有很大的发展潜力。本文叙述了地源的特点、国内外的发展史以及原理。
关键词:地源热泵特点发展史 工作原理 种类
一、引言
随着我国经济和社会的发展,人们对室内环境和环保的要求也日益提高。如何寻求一种低排放的清洁能源也摆在我们建筑从业者的面前,但地源热泵技术的出现让我们看到了希望。
二、特点
1)高效:一般空调对着空气换热称为风冷热泵,缺点在于天气炎热或者寒冷最需要冷量或热量时效率反而下降。地温一年四季基本恒定在16℃左右,略高于该地区平均温度1到2度,使得热泵无论在制冷或制热工况中均处于高效率点。
2)节能省费用:冬季运行时,COP约为4.2,即投入1KW电能,可得到4KW的热能,夏季运行时,COP可达5.3,投入1KW电能,可得到5KW的冷量,能源利用效率为电采暖方式的3-4倍。
3)环保:供热时没有燃烧过程,避免了排烟污染,供冷时省了冷却塔,避免了噪音及霉菌污染。
4)一机多用:地源热泵系统可供暖,空调,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。
5)可再生:土壤有较好的蓄 热性能,冬季通过热泵将大地浅层的低位热能提高对建筑供暖,同时蓄存冷量,以备夏用;夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温,同时蓄存热量,以备冬用,保证大地热量的平衡。
三、地源热泵的发展历史
地源热泵的历史可以追朔到1912年瑞士的一个专利,而地源热泵真正意义的商业应用也只有近十几年的历史。如美国,1985年全国共有14,000台地源热泵,而1997年就安装了45,000台。美国地源热泵工业已经成立了由美国能源部、环保署、爱迪逊电力研究所及众多地源热泵厂家组成的美国地源热泵协会,该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、研究和推广工作。美国计划到2010年达到每年安装80万台地源热泵的目标,届时将降低温室气体排放1百万吨,每年节约能源费用再增加1.7亿美元。
在我国,地源热泵的研究起始于20世纪80年代,最近5年该项技术成了国内建筑节能及暖通界热门的研究课题,也开始应用于工程实践,与此相关的热泵产品应运而生,掀起了一股"地热空调"的热潮。从90年代开始,每届全国暖通制冷学术年会上都有“热泵应用”的专题;2000年6月19～23日,中美地源热泵技术交流会在北京召开,会议介绍了地源热泵技术,国外的应用状况和在中国的推广。
四、地源热泵的工作原理
地源热泵是一种利用地下浅层地热资源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统。
地源热泵机组的运行靠少量的电力来驱动,它的工作原理是通过向机房系统内的热泵机组输入一定电能驱动压缩机做功,使机组中的介质反复发生蒸发吸热和冷凝放热的物理相变过程,从而将地源系统中的能量提取和传导到用户系统,实现空间上的热量交换和传递转移。
在冬季,把土壤中的热量“取”出来,提高温度后供给室内用于采暖,在夏季,把室内的热量“取”出来释放到土壤中去,并且常年能保证地下温度的均衡。
五、地源热泵的种类及特点
1) 地下水源热泵
欧美国家最常用的地源热泵系统是地下水热泵系统,其的热源是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。由于可能导致管路阻塞,更重要的是可能导致腐蚀发生,同时出于对地下水资源的保护,通常不建议在地源热泵系统中直接应用地下水。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3～4.5,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。
2) 土壤源热泵
土壤源热泵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”,以区别于地下水热泵系统,或直接称为“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。根据地下热交换器的布置形式,主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三类。
垂直埋管换热器通常采用的是U型方式,按其埋管深度可分为浅层(<30m),中层(30～100m)和深层(>100m)三种。
水平埋管换热器有单管和多管两种形式。其中单管水平换热器占地面积最大,虽然多管水平埋管换热器占地面积有所减少,但管长应相应增加来补偿相邻管间的热干扰。
蛇行埋管换热器比较适用于场地有限又较经济的情况下。虽然挖掘量只有单管水平埋管换热器20%～30%,但是用管量会明显增加。这种方式优缺点类似于水平埋管换热器,所以有的文献将其归入水平埋管换热器。
3) 地表水源热泵
地表水地源热泵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型式。
六、结语
在建筑供热空调中采用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CO2和其他燃烧产生的污染物的排放,是一种可持续发展的建筑节能新技术。在我国地源热泵的推广需要政府的政策的引导对设计和施工人员的培训相关设备及材料的配套以及提高公众对地源热泵技术的了解程度。在供热空调中应用热泵技术的主要制约因素曾经是电力供应不足和人民群众消费水平较低,对热泵空调系统的市场需求尚未成形。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,市场前景会很好。