地源热泵的核心技术

  热泵是靠高位热能拖动，迫使热量从低位热源流向高位热源的装置。顾名思义，热泵就是把低位热源的热能转移至高位热源。热泵虽然需要一定的高位能，但供给的热量却是消耗的高位能和吸取的低位能的总和，因此，节约了高位热能。

 

  根据热泵的介质不同，热泵可以分为空气源热泵、水源热泵和土壤源热泵3种类型。这3种类型的原理不同，其适用的范围也有所不同。 空气源热泵是最早发展起来的热泵类型，它也是空调使用范围最广泛的一种形式，现广泛应用于大江南北各种类型的建筑物中。 水源热泵分为地下水水源热泵、污水源水源热泵、地表水水源热泵等形式。土壤源热泵也叫地源热泵，是近年发展起来的一项技术。地源热泵的概念最早出现在1912年瑞士的一份专利文件中，经20世纪70年代石油危机后开始广泛推广，经过最近2O年的发展，它已经成为一项成熟的技术，其在美国空调巾 的应用占有率已经超过40％。我国由于能源价格偏低及人们节能环保的意识有限，地源热泵空调技术应用和发展比较缓慢，人们对之尚未十分了解，推广困难。随着人们生活水平的提高，人均能耗增加，一次能源日益衰竭及环境的日益恶化，地源热泵已经越来越引起人们的重视，建设部在《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中专门做了推荐。北京2007年开工并投入使用的地源热泵空调系统就 占总量的2／3以上。可以预计，随着经济发展及人们节能环保意识的提高，地源热泵作为一种节能环保的绿色空调，适应能源可持续发展战略，在中国必将 有广阔的应用和发展前景。

 

  1.地源热泵系统的分类

 

  地源热泵系统按所利用地能的不同形式可分为三种系统：以利用土壤作为冷热源的地下耦合热泵系统(Ground—coupledheatpumpsystems)；以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统(Groundwaterheatpumps)；以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统(Surface—waterheatpumps)。

 

  地下耦合热泵系统又称为土壤源热泵系统，系统的冷热源为浅层岩土，系统通过地埋管换热器与浅层岩土进行换热，根据是否存在中间传热介质(通常是水或以水为主要成分的防冻液)，可分为第二环路土壤耦合热泵系统和直接膨胀式土壤耦合热泵系统，其中第二环路土壤耦合热泵系统在我国应用范围广，并且运行具有高度的可靠性和稳定性，而直接膨胀式土壤耦合系统由于铜管腐蚀、制冷剂泄漏、制冷剂充注量大和夏季难以启动等问题，目前在国际上还未普及，我国目前还没有学者或企业进行过直接膨胀式土壤耦合系统的研究和开发。

 

  2.土壤源热泵的核心技术

 

  要真正使土壤源热泵能够取代传统的空调系统，尚有众多的核心技术问题有待进一步解决。从系统的角度分析，按微观到宏观的次序来看有下列问题需解决。

 

  2.1土壤中传热、传质过程的研究

 

  整个系统中处于最底层的是埋地换热器次级子系统，如图一所示。在该系统中，主要关心的问题是埋地换热器与周围土壤的热交换过程。由于土壤是一个由固态的土壤骨架、液态和气态水以及空气组成的多相分散体，目前大多数的研究中采用的简单的复合不稳态导热，将水分和空气的输运过程作用归结为一导热系数的附加值来描述土壤中的热质耦合的作法显然会带来较大的误差，相应的结果是土壤源热泵的埋地换热器的尺寸偏大，热泵装置的初投资加大（埋地换热器的成本一般占到热泵系统总成本的20%~30％），无法与传统的空调系统相抗衡。

 

  因此亟待解决的方法是对埋地换热器与土壤的热交换过程采用更完善的数学模型进行描述，全面考虑传热和传质过程。多孔介质流体力学方法可能是一个有力的工具。有研究者提出采用不可逆热力学的方法来加以研究，也是一个颇有新意的可行的方法。还有研究者提出采用分形的方法来研究土壤中的导热系数，有可能使数学模型得到简化，使研究的难度降低。研究土壤中的传热传质过程的另一个目的，是希望能找到强化传热的新型填充材料，国外已有研究者从事过这方面的研究，并有相关报道。当然，最终的目的是一致的，就是要尽可能的减少土壤源热泵埋地换热器的初投资费用，但国内尚未见到类似的研究报道。

 

  3、应用现状

 

  进入二十世纪九十年代，土壤源热泵的应用与发展进入了一个全新快速发展的时期，土壤源热泵在欧洲和北美迅速普及。在中欧和北欧地区，土壤源热泵已成为家用热泵的主要热源，据1999年的统计,在家用供热装置中，地源热泵所占的比例，瑞士为96％，奥地利38％，丹麦为27％；在美国，土壤源热泵因其节能性、舒适性正在大土壤源热泵以每年20％的递增销量而处于各种热泵系统的首位。我国在开展土壤源热泵系统的研究与应用方面起步较晚，但到2000年左右，在各种因素的共同作用下，成为一个非常“热门”的研究课题，但与国外相比仍处在一个整体水平相对较低的大环境之下。相继有天津大学、天津商学院、华中理工大学、青岛建筑工程学院、重庆大学B区(原重庆建筑大学)、湖南大学和同济大学科研机构从事了地源热泵方面的研究。并且有浙江横店国际商贸城、山东建工学院学术报告厅、重庆中安翡翠湖别墅(在建)等等总空调面积500m以上的建筑采用了土壤源地源热泵系统。

 

  4.我国发展地源热泵的必要性

 

  4.1发展地源热泵技术是应用可再生能源的重要手段地源热泵技术是有效利用可再生的浅层地热能来改善人们生活环境的重要手段，地源热泵这种技术的利用，进一步发挥了浅层地热能的应用潜力。2005年审议通过《中华人民共和国可再生能源法》把发展地热能列为利用可再生能源的重要领域。

 

  4.2发展地源热泵技术是建筑节能发展的需要

 

  建筑能耗目前占到全社会总能耗27%左右，其中建筑物供热制冷的能耗大概占到整个建筑能耗的60%左右，因此，如何在改善建筑热舒适性的条件下降低采暖制冷能耗是建筑节能工作中的重点。显然，降低建筑能耗,减轻污染已成了暖通界人士需要解决的首要问题。地源热泵作为一种建筑物供热制冷新技术可以通过消耗少量的电能或热能来有效地利用地热能达到这样的目的。

 

  4.3发展地源热泵技术是确保我国能源结构调整的需要据统计，2007年中国生产原油18665.7万吨，同比增长1.6％；2007年中国净进口原油15928万吨，同比增长14.7％。2007年中国原油表观消费量约为3.46亿吨，同比增长7.3％，达历史高位。原油对外依存度达到46.05％。中国原油需求对外依存度的提高，无疑会给中国石油安全带来很大压力。能源结构调整是中国能源发展面临的重要任务之一，也是保证中国能源安全的重要组成部分。地源热泵通过消耗一定量的电能或热能来安全有效利用地热能，符合当前我国能源结构调整整体目标的需要。

 

  4.4发展地源热泵也是暖通空调技术的发展方向传统的暖通空调技术主要是以空气作为冷热源，系统的效率低，能源消耗量大。地源热泵依其高效节能的显著特点逐渐成为暖通空调技术发展的主要方向。