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淺談地源熱泵系統(tǒng)及其應(yīng)用推廣
摘要：地源熱泵系統(tǒng)以淺層土壤為熱源，其熱力性能主要受到當?shù)厮牡刭|(zhì)條件的制約，進而影響到整個系統(tǒng)經(jīng)濟性。本文深入淺出探討了地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計中土壤熱響應(yīng)問題，并分析了地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：地源熱泵,熱響應(yīng),換熱量,能耗
地源熱泵系統(tǒng)是一項涉及多方面學科的地能利用技術(shù),是利用地下淺層地熱能源，通過熱泵技術(shù)獲取可供空調(diào)使用的冷熱水的空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵分為水源熱泵和土壤源熱泵。二者不同之處是：水源熱泵直接利用水作為熱源，土壤源熱泵需要通過換熱器從土壤中獲取能量。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)通常由地源熱泵機組、地熱能換熱系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成。
一、地源熱泵簡介
地源熱泵系統(tǒng)是指以土壤、地下水和地表水作為熱源,由地源熱泵機組、地熱能交換系統(tǒng)、建筑物系統(tǒng)組成的供熱、供冷空調(diào)系統(tǒng)。在制熱狀態(tài)下,熱泵機組通過地下的水路循環(huán)吸收地下水或土壤里的熱量,傳至冷凝器,冷凝器產(chǎn)生熱水通過循環(huán)水泵送至空調(diào)末端設(shè)備對房間進行供暖。在制冷狀態(tài)下,地源熱泵機組內(nèi)的壓縮機對冷媒做功使其進行汽-液轉(zhuǎn)化的循環(huán)將熱泵機組排放的熱量帶走,由此產(chǎn)生的冷水,通過循環(huán)水泵系統(tǒng)送至空調(diào)末端,對室內(nèi)空間進行供冷。這種系統(tǒng)利用的是清潔能源,不會對自然界的能量系統(tǒng)造成不利影響,不會產(chǎn)生多余的碳排放,環(huán)保效果顯著;并且,功能齊全,運行可靠,既可以用來供暖、也可以用來制冷,并且還能提供生活熱水。根據(jù)地熱能交換系統(tǒng)形式的不同,地源熱泵系統(tǒng)可以分為分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。其中,地埋管地源熱泵系統(tǒng)由于對水環(huán)境擾動較小,應(yīng)用的最為廣泛,因此,我們接下來的分析將以地埋管地源熱泵系統(tǒng)為主。
二、地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計中土壤熱響應(yīng)探討
不同的地理位置,其土壤的導熱系數(shù)也不相同,這會使得換熱器的效果也存在著一定的差別。因此,設(shè)計之前,必須首先要知道土壤的導熱系數(shù)。目前,確定土壤的導熱系數(shù)有兩種方法,即經(jīng)驗值估算法和熱響應(yīng)測試法。前者誤差較大,在實際應(yīng)用中已逐步淘汰,后者是通過加熱循環(huán)水方式將熱量釋放到地下,記錄進/出水溫度、流量以及加熱功率來計算土壤的相關(guān)的導熱系數(shù),這種方式相對來說比較嚴密,但在實際應(yīng)用也存在著較大問題,并直接影響了測試結(jié)果并進而對設(shè)計產(chǎn)生了一定的誤導作用,其主要表現(xiàn)如下:
2.1流速不同產(chǎn)生的換熱量不同
相關(guān)資料表明,進水溫度一定,熱流量與流速呈正比關(guān)系,但當流速增快時,熱流量的變化率逐漸變小,與此同時,流速的增加會增加循環(huán)水泵的功耗,因此,不同的工程應(yīng)當都存在著一個最佳的設(shè)計流速。為此,在進行土壤熱響應(yīng)測試的時候,應(yīng)具有整體的觀念,要從整個系統(tǒng)的角度來設(shè)計,提供不同流速下的每延米孔深換熱量,以便于計算經(jīng)濟流速和地埋管換熱孔的總長度。
2.2季節(jié)及施工因素的影響
地源熱泵系統(tǒng)工程的時間跨度相對比較短,一般只有1～3個月,因此,不可能在夏季和冬季都進行熱響應(yīng)測試,有時甚至由于受整個建筑工程施工進度的制約,還會在春季和秋季這樣的不需要空調(diào)系統(tǒng)的季節(jié)進行測試。盡管豎直埋管的深度通常都達到90～120m,在地下30m以上一般溫度不會受季節(jié)的影響,但是在地下0～30m處,土壤的初始溫度隨著季節(jié)的變化而呈現(xiàn)出周期性變化。同時鉆孔機械散熱也會改變土壤的初始溫度。所有的這些都會導致測試結(jié)果與實際運行有所差別。因此,地埋管施工后,要等到土壤的溫度恢復至正常水平才能進行測試,同時,在測試的時候還需要結(jié)合當?shù)氐牡刂窔庀筚Y料確定每延米孔深的取熱量和放熱量。
三、地源熱泵的優(yōu)勢與應(yīng)用
3.1 地源熱泵的優(yōu)勢
地源熱泵系統(tǒng)冬季代替鍋爐從土壤中取出熱量，以30～40℃左右的熱風向建筑物供暖，夏季代替普通空調(diào)向土壤揮熱，地源熱泵技術(shù)節(jié)能效果顯著，消耗1kw能量，用戶可以得到4kw以上的熱量或冷量。與鍋爐(電、燃料)供熱系統(tǒng)相比。土一氣型地源熱泵系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率最高可達4.7，而鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70%～90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)換為熱量供用戶使用，因此它要比電鍋爐加熱節(jié)省2/3以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省1/2以上的能量，運行費用為各種采暖設(shè)備的30%～70%。由于土壤的溫度全年穩(wěn)定在10～20℃之間，其制冷、制熱系數(shù)可達3.5～4.7，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵(家用窗式和分體式空調(diào)、中央式風冷熱泵)相比，要高出40%以上，其運行費用僅為普通中央空調(diào)的50%～60%。夏季高溫差的散熱和冬季低溫差的取熱.使得土一氣型地源熱泵系統(tǒng)換熱效率很高。因此在產(chǎn)生同樣熱量或冷量時，只需小功率的壓縮機就可實現(xiàn).從而達到節(jié)能的目的，其耗電量僅為普通中央空調(diào)與鍋爐系統(tǒng)的40%～60%。它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，是一種的理想的“綠色技術(shù)”。
3.2 地源熱泵的應(yīng)用
地源熱泵因其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢受到越來越多的關(guān)注。全國各地開始設(shè)立試點，大力開發(fā)地源熱泵。冬季，地源熱泵機組通過壓縮機和熱交換器從地下水中吸收熱量，制熱時出水溫度最高可達90℃。沈陽世博園主體建筑之一的玫瑰園就是采用地源熱泵系統(tǒng)。這座建筑充分利用了沈陽的淺層地下熱能，保證了四季恒溫，而且整個世博園內(nèi)沒有一根用于燃燒一次性能源的煙囪。為保證地源熱泵更經(jīng)濟、安全，有關(guān)部門開展了相關(guān)課題的科研工作。其中，“混合式水源熱泵技術(shù)”有效解決了水源熱泵推廣應(yīng)用中可能遇到的水資源不足、布井位置受限等問題，實現(xiàn)了地源熱泵與傳統(tǒng)燃煤的雙向互補。世博園區(qū)中幾大地標性建筑——世博軸、世博中心、演藝中心和城市未來館都采用了地源熱泵系統(tǒng)加江水源熱泵系統(tǒng)。世博會主辦方表示，這些新型空調(diào)系統(tǒng)在“世博地標”中廣泛應(yīng)用，不僅有效地減少了中央空調(diào)冷熱源系統(tǒng)的綜合能耗，緩解城市局部區(qū)域的“熱島”效應(yīng)，更將成為地源熱泵未來大面積普及的催化劑。節(jié)能環(huán)保也是暖通空調(diào)行業(yè)未來的發(fā)展趨勢。
四、結(jié)語
高效節(jié)能的地源熱泵系統(tǒng)將在暖通空調(diào)系統(tǒng)中占有更加廣闊的領(lǐng)域，低碳環(huán)保節(jié)能的思想將在全社會廣泛推廣，全社會將進入一個可持續(xù)行發(fā)展的新階段。
參考文獻
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