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地源热泵
地源热泵的工作原理
来源:地大热能 2015-08-26

    地源热泵的工作原理

    1 地源热泵介绍

    地源热泵系统是一种利用地下浅层(通常<400 m)地热资源( 亦称为地能),是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能) 、既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量高品位能源(如电能),实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源,通常消耗1kW的能量,可以得到4kW以上的热量或冷量。地源热泵的优点为投资回收快,提高城市环境品质,缓解能源紧张。

    2 地源热泵的分类

    根据利用地热源种类和方式的不同,地源热泵可分为三类( 图 1) ,以下分别作简单的介绍。

    2.1 地表水热泵工作原理

    优点: 比地下埋管系统投资小,能耗低,可靠性高,运行及维修费用低,在温暖地区湖水可做热源。缺点: 在浅水湖中盘管易被毁坏; 由于水温变化较大,会降低机组的效率。

    2.1.1 开式系统(图2)

    用水泵抽取地表水在热泵的换热器中换热后再排入水体(直接利用地表水,水温须达到一定的标准)。

    2.1.2 闭式系统(图3)

    是指在地表水中为一组闭式循环的换热盘管,该组盘管一般水平或垂直埋于地表水中,通过与地表水换热来实现能量转移。

    2.2 地下水热泵工作原理

    优点: 经济,占地面积小,只进行热交换,不消耗水资源。缺点: 水质、水量须达到规定标准。

    2.2.1 异井回灌(图4)

    通过建造抽水井群将地下水抽出,进行换热或直接送至水源热泵机组,经提取或释放热量后,由回灌井群返回地下。

    2.2.2 同井回灌(图5)

    热泵机组出水直接在孔洞上部进入,其中一部分在地下水位以下进入周边岩土换热,其余部分在边壁处与岩土换热。换热后的流体在孔洞底部通过埋至底部的回水管被抽取作为热泵机组供水。这一方式主要应用于岩石地层,典型孔径为150 mm,孔深450 m。

    2.3 土壤耦合热泵工作原理

    优点: 土壤温度波动较小,相对稳定,具有良好的蓄热效果。缺点: 钻井费用高。

    2.3.1 封闭式垂直埋管(图6)

    优点: 占地面积小,管路及水泵用电少。缺点: 钻井费用高。

    2.3.2 封闭式水平埋管(图7)

    优点: 安装费用比垂直式埋管系统低,使用者易于掌握。缺点: 占地面积大,受地面温度影响大,水泵耗电量大。

    2.3.3 单井循环系统(图8)

    利用井内水在井内上下流动,与地下土壤进行热量交换,提取土壤的能量。

    3 地源热泵的特点

    a) 属可再生能源利用技术

    地表浅层是一个巨大的太阳能集热器,收集了 47%的太阳能量,这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源,使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。

    b) 属经济有效的节能技术

    地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定,冬季比环境空气温度高,夏季比环境空气温度低,是很好的热泵热源和空调冷源,这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高 40%,因此要节能和节省运行费用 40%左右。另外,地能温度较恒定的特性,使得热泵机组运行更可靠、稳定,也保证了系统的高效性和经济性。

    c) 环境效益显著

    地源热泵的污染物排放与空气源热泵相比减少 40%以上,与电供暖相比减少 70% 以上。虽然也采用制冷剂,但比常规空调装置减少 25% 的充灌量,且事先整装密封好,制冷剂泄漏机率大为减少。该装置可以建造在居民区内,没有燃烧,也没有废弃物,且不用远距离输送热量。

    d) 应用范围广

    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; 可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑,更适合于别墅住宅的采暖、空调。

    此外,机组使用寿命长,均在 15 年以上; 机组紧凑、节省空间; 维护费用低; 自动控制程度高,可无人值守。

    当然,地源热泵的应用会受到不同地区、不同用户及不同国家的影响; 一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同; 采用地下水的利用方式,会受到当地地下水资源的制约。

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