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地源热泵的特点和基本形式
来源:地大热能 2014-08-11
  地源热泵(区别于热泵热水器和太阳能热泵热水器)技术是一种利用浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能的空调技术。热泵的理论基础源于卡诺循环,与制冷机相同,是按照逆循环工作的。由于全年地温波动小,冬暖夏凉,因此地热可分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源,即冬季从土壤中采集热量,提高温度后供给室内采暖;夏季从土壤中采集冷量,把室内多余热量取出释放到地能中去。地源热泵主要有以下几种形式:
 
  (1)地下水热泵:为开放系统。该系统占地面积小,非常经济。它要求保证机组正常运行的稳定水源,温度范围在7—21℃,需要打井,为保持地下水位需要注意回灌,从而不破坏水资源。
 
  (2)河湖水源热泵:为开式或闭式系统。该系统投资小,水系统能耗低,可靠性高,且运行费用低,但盘管容易被破坏,机组效率不稳。
 
  (3)土壤热泵:为闭式系统。垂直埋管系统占地面积小,水系统耗电少,但钻井费用高;水平埋管安装费用低,但占地面积大,水系统耗电大。
 
  2 地源热泵伏于传统空调的特性
 
  2.1 在技术方面
 
  (1)传统的空调系统不论是水冷还是风冷,由于它的换热器必须置于暴露的空气中,因此会对建筑造型造成不好的影响,破坏建筑的外观;而地源热泵把换热器埋于地下,且远离主建筑物,故不会对其造型产生影响。
 
  (2)风冷换热器与水冷换热器的换热环境均为大气,故不可避免地受到环境条件变化的影响,会明显降低换热效率;而地源热泵换热器是和大地换热,换热对象是1m以下的地层,其初始温度大约等于年平均温度,基本不受外界环境的影响。这种温度特性使地源热泵比传统空调运行效率要高40%~60%。
 
  (3)普通空调对环境的影响是很严重的,它不仅对臭氧层造成严重的破坏和产生令人难以忍受的噪音,还由于夏季将废热排入大气,冬季吸收大气中的热量而使大气、住宅周围的环境更加恶劣;而地源热泵可以利用大地的蓄热能力,把夏季多余的排入大地的热能在冬季取用,把冬季多余的冷能在夏季取用,以达到冬夏两季室内的供暖与供冷。同时该装置的运行几乎没有排放物和废弃物,所以不仅对大气没有影响,还能使大地不至于过冷和过热。
 
  2.2 在经济方面
 
  (1)影响地源热泵使用经济性的因素很多,如国家能源政策、环保政策、电与燃料价格、建筑环境、使用者和气候条件等。根据我国目前的现状,由于这些方面的因素而导致的运行费还有待进一步研究,难以获得准确的结论,但是可以借鉴美国等发达国家的经验,世界环境保护组织在一份有关空调未来的报告中得出结论:设计安装良好的地源热泵,可以节约30%~40%甚至更高的供热制冷空调的综合运行费用。
 
  (2)由于技术方面的优势,可以节省运行费用40%~60%。
 
  (3)地源热泵系统还可以集采暖、空调制冷和提供生活热水于一身。—套热泵系统可以替换原有的供热锅炉、制冷空调和生活热水加热的三套装置或系统,从而也增加了经济性。由此可得出结论:地源热泵系统虽然由于室外部分比较复杂,初次投资高于普通空调系统,但普通空调的运行费用远高于地源热泵系统,—般州年时间就可以将增加的初次投资回收。
 
  普通空调寿命一般在15年左右,而地源热泵的地下换热器由于采用高强度惰件材料,埋地寿命至少50年。因此,从使用寿命和运行费用来考虑,地源热泵系统的经济性是高于普通空调系统的。
 
  中国长江流域及其周边地区有几个省市,是中国经济高速发达的地区,面积为180000km2,人口为5.5亿,国民生产总值约占全国的48%,是一个人口最密集,经济、文化比较发达的地区。按照我国建筑气候划分,该地区属于“夏热冬冷”地区。即夏季气候I:q热,最热月平均温度为25~30℃且以28~30℃居多,多数地方高于35℃的酷热天气长达半个月至一个月,比世界上同纬度其他地区高出2℃左右,是地球上这个纬度范围内除沙漠干旱地区以外最炎热的地区,而且相对湿度经常高达80%左右;冬季潮湿寒冷,最冷月平均温度为2~7℃,大多数在2~5℃之间,是地球上同纬度冬季最寒冷的地区。长江中下游沿岸及以北一带,日最低气温低于5℃的天数长达两个月甚至三个月的时间,且相对湿度仍然很高,达73%~83%。因此该地区供冷和供暖大致相当,冷暖负荷基本相同,故适合在该地区推广地源热泵技术,从而充分发挥地下蓄能的作用。
 
  长江流域及其周围地区人口集中,能源消耗量大,污染问题突出。而且本地区能源资源相对比较匮乏,能源供给形势严峻。因此从节约能源,改善能源结构和保护环境这些问题考虑,也应该推广热泵这项节能技术。
 
  3 展望与建议
 
  (1)长江流域及其周边地区具有丰富的低温环境资源,而且气候条件是冬寒夏热,需要较多的供热和空调装置。因此在该地区地源热泵技术具有广阔的推广和应用前景。加速研究,大力发展热泵节能技术,必将促进自然资源的合理利用,实现我国可持续发展战略。
 
  (2)影响土壤源热泵广泛应用的主要原因是对土壤源热泵发展核心技术问题的研究和认识还很有限。据国际最新研究动态表明,它的核心技术问题是地埋式换热器的传热强化、土壤源热泵系统仿真及最佳匹配参数的研究。另一个主要原因是土壤源热泵自身存在的缺点:地埋换热器受土壤性质影响较大;连续运行时,热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的影响而发生波动;土壤导热系数小,使地埋换热器的面积较大等。因此,国家有关部门应加强对热泵核心技术的研究,并能提供一系列经济激励措施,来鼓励用户采用地源热泵系统。
 
  (3)研究土壤源热泵还存在以下几个有待解决的问题:关于埋地盘管的数学模型和土壤热场特点的理论研究还不够深入,仍处于试验阶段;由于它涉及钻探工程,使施工困难,系统投资比较大。因此在热泵技术开发应用中应通过热泵的批量生产和技术改进来降低成本,使热泵技术的优越性更加突出。
 
  (4)我国有关地源热泵的现成技术资料不多,缺少这方面的设计、生产、安装和维护人员,而且生产相关设备的厂家少,因此应增加技术资金的投入和相关技术人才的培养。同时向世界上热泵技术比较发达的国家学习,但在学习过程中应注意:由于我国气候条件与那些国家的气候条件不同,因此我们不能照搬外国的技术成果,而应注意吸收国外正反经验,合理布局,稳步发展,在条件相对成熟的地区多进行试验和总结。

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