摘要:地源熟泵技術(shù)是目前有效利用現(xiàn)有低溫地熟資源的一種重要方法。文章介紹了地源熱泵系統(tǒng)的工作原理及分類,以及地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展前景。 

關(guān)鍵詞:地源熱泵系統(tǒng),地表水系統(tǒng),地下水系統(tǒng),埋地管系統(tǒng) 　 

　　地源熱泵系統(tǒng)是一種利用大自然中蘊(yùn)藏著大量的較低溫度的低品位熱能(也稱自然能源,包括大氣、地表水、海水,地下水、土壤等)的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能系統(tǒng)。 

　　一、地源熱泵系統(tǒng)的基本原理 

　　地源熱泵系統(tǒng),尤其是地埋管水源熱泵系統(tǒng)和地下水水源熱泵系統(tǒng),都是將地下30～300 m的恒溫帶中的土壤、卵石、巖石和含水層作為熱泵系統(tǒng)的“熱源”和“熱匯”。在夏季供冷時(shí),向地下排放冷凝熱,經(jīng)整個(gè)夏季冷凝熱排放與積聚后,此地的恒溫帶會(huì)形成局部的4～6℃的溫升;在冬季供熱時(shí),熱泵要從地下不斷吸取這部分所儲(chǔ)存的低溫?zé)崃?經(jīng)熱泵升溫后向建筑供暖。如果熱泵系統(tǒng)冬季從地下累計(jì)吸取的熱量等于夏季累計(jì)排放的熱量,則此地的恒溫帶會(huì)形成局部的4～6℃的溫降,經(jīng)一年的供冷供暖周期后又恢復(fù)到原始的恒溫帶溫度。但是任何實(shí)際的地源熱泵系統(tǒng),其夏季累計(jì)冷負(fù)荷不會(huì)等于冬季累計(jì)熱負(fù)荷,夏季累計(jì)向地下釋放的熱量一般,也不會(huì)等于冬季從地下吸取的熱量。 

　　二、地源熱泵系統(tǒng)的分類 

　　1)地表水系統(tǒng)。如果空調(diào)建筑附近有河、湖、水池等地表水,可將閉環(huán)換熱盤管放人河水、湖水、水池中作為地源熱泵的室外系統(tǒng)。夏季從熱泵冷凝器吸熱后的冷卻水經(jīng)密封的管道系統(tǒng)進(jìn)入湖或池中,利用溫度穩(wěn)定的湖水或池中水散熱。冬季吸取湖水或池水的熱量并將熱量傳遞給熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器。這種方式可以保證河水(湖水)的水質(zhì)不受到任何影響,而且可以大大降低室外換熱系統(tǒng)的施工費(fèi)。 

　　2)地下水系統(tǒng)。另一種室外系統(tǒng)可采用地下水系統(tǒng),地下水系統(tǒng)一般采用開環(huán)系統(tǒng),包括一定數(shù)星的抽水井和回灌井。冷卻水經(jīng)熱交換器向地下深井散熱(冬季吸熱),地下水從取水井中抽取進(jìn)入熱交換器吸熱(冬季散熱)后由回水井回灌到地下。地下水系統(tǒng)適用于地下水豐富的地區(qū)。地下水的溫度常年穩(wěn)定,不受外界氣溫影響,所以熱泵機(jī)組可以高效運(yùn)行。 

　　3)埋地管系統(tǒng)。對(duì)于地表水地下水缺乏的地區(qū),室外地能換熱系統(tǒng)用埋地管系統(tǒng)。將換熱盤管深埋于地下土壤中,循環(huán)水經(jīng)水管壁面直接與土壤進(jìn)行熱交換。夏季循環(huán)水將制冷機(jī)組吸收的熱量向土壤散熱,冬季從土壤吸熱并將熱量經(jīng)由熱泵機(jī)組傳遞至室內(nèi)。這種熱泵系統(tǒng)也稱土壤源熱泵。由于埋管技術(shù)較為復(fù)雜,所需埋設(shè)的管道較長(zhǎng),總體造價(jià)較高,一般適合于建筑面積較小時(shí)采用。 

　　三、地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)與適用條件 

　　這里所謂的地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)都是相對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)而言的�？諝庠礋岜孟到y(tǒng)的“源”和“匯”是室外空氣,由于室外空氣的溫度不但有一年四季的變化,而且還有晝夜24 h的變化,所以其制冷量或制熱量的輸出是極不穩(wěn)定的。而地源熱泵系統(tǒng)是以地下30～300 m的土壤、砂土、礫石、巖石和含水層作為熱泵系統(tǒng)的“源”和“匯”,該層地溫一年四季恒定,既不受地表溫度變化的影響,也不受地心高溫的影響。因此,地源熱泵系統(tǒng)的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其制冷量或制熱量輸出是常年穩(wěn)定的。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是高效率。對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)來說,在夏季隨著室外氣溫的升高,冷需求加大,而其制冷量與EER逐漸降低。相反,在冬季,隨著室外氣溫下降,熱需求增大,而其制熱量與COP也逐漸降低。但對(duì)地源熱泵系統(tǒng)來說,就不存在此問題。夏季制冷時(shí)地下“匯”的溫度一般能維持在20℃左右,冬季制熱時(shí)地下“源”的溫度一般能維持在10℃左右,因此其制冷與制熱效率一般均可比空氣源熱泵效率高20%～40%。第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,當(dāng)冬季從地下累計(jì)取熱量與夏季向地下累計(jì)放熱量相等時(shí),地源熱泵系統(tǒng)可以不設(shè)任何冷卻塔和輔助加熱設(shè)備,減少了維護(hù)費(fèi)用,使建筑的外立面更加美觀。第四個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,可充分利用夏季制冷時(shí)的冷凝熱,有效減輕了城市的夏季熱島效應(yīng),同時(shí)也改善了熱泵系統(tǒng)的效率,還可提供全年的生活熱水。 

　　地源熱泵系統(tǒng)的缺點(diǎn)首先是投資高。因?yàn)榈叵裸@井埋管與打井都需要高額的工程建設(shè)費(fèi),尤其是在現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)水文條件惡劣的情況下更為突出。在一些工程中,其地下鉆眼埋管或打井費(fèi)用甚至與地上空調(diào)系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用接近。其次是地源熱泵系統(tǒng)的全年供冷(熱)性能和經(jīng)濟(jì)性依賴于建筑的冷(熱)負(fù)荷計(jì)算、設(shè)備選用和地下埋管或水井設(shè)計(jì)計(jì)算與施工。第三是目前國(guó)內(nèi)熟悉地源熱泵系統(tǒng)的合格設(shè)計(jì)人員有限。最后就是目前國(guó)內(nèi)有經(jīng)驗(yàn)的、合格的承包商不多。地源熱泵系統(tǒng)既不是萬(wàn)能的系統(tǒng),也不是在任何地方都能使用的系統(tǒng)。鑒于地源熱泵系統(tǒng)是利用地下30～300 m且溫度不低又不高的恒溫帶“源”和“匯”的地下環(huán)境,以及全年空調(diào)熱泵自身夏季排熱與冬季取熱的特點(diǎn),確保了熱泵的高效、穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行。 

　　因此,地源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)一般應(yīng)遵循以下適用條件:①全年室外空氣平均溫度(或地下恒溫帶溫度)處于10～20℃的地域;②具有經(jīng)濟(jì)的打井地質(zhì)條件及擁有合適淺層地下水資源的地域;③全年向地下總排熱量和總?cè)�熱量相等或接近的供熱供冷工�?④夏季供冷溫度不低于5℃,冬季供熱溫度不高于60℃的工程。 

　　四、地源熱泵系統(tǒng)發(fā)展的前景 

　　雖然存在各種困難,地源熱泵技術(shù)作為一項(xiàng)有效的暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù),因其自身的清潔、節(jié)能等特點(diǎn),存在一定的推廣價(jià)值。在國(guó)外,由于起步較早,此技術(shù)已經(jīng)基本成熟,并開始逐步應(yīng)用于各種建筑中,并且針對(duì)不斷出現(xiàn)的問題進(jìn)行調(diào)整。國(guó)內(nèi)因?yàn)檠芯抗ぷ鏖_展相對(duì)較晚,目前還沒有獨(dú)立進(jìn)行的成功的工程實(shí)例。隨著暖通空調(diào)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)地源熱泵的一些制約因素將會(huì)被逐步克服,甚至可能會(huì)轉(zhuǎn)化為促進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展有利的條件。我國(guó)地域遼闊,各地的氣候條件和土壤條件各不相同,其中大部分地區(qū)夏熱冬冷,適合地源熱泵的使用范圍。此外,根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn),還可考慮在其它需要供熱的行業(yè)使用。如現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)中溫室需要提供的熱水溫度一般比空調(diào)系統(tǒng)低,夏季降溫的要求也比空調(diào)建筑低,利用地源熱泵系統(tǒng)可以降低運(yùn)行成本,很好地發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn);在養(yǎng)殖行業(yè),需要提供合適的水溫,也可以充分采用地源熱泵系統(tǒng)。總之,只要揚(yáng)長(zhǎng)避短,正確定位,地源熱泵系統(tǒng)是有很大發(fā)展空間的。 　　 

　　參考文獻(xiàn): 

　　[1]曹舉勝 地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用及推廣 中國(guó)高新技術(shù)企業(yè) 2009,11 

　　[2]白俊達(dá) 李穎 地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用 黑龍江科技信息 2008,13 

　　[3]汪訓(xùn)昌 關(guān)于發(fā)展地源熱泵系統(tǒng)的若干思考 2007,3 

　　[4]張超,劉寅,周光輝 地源熱泵的應(yīng)用對(duì)環(huán)境的影響分析 低溫與超導(dǎo) 2008,36 

　　[5]龔偉申 王琴明 地源熱泵的特點(diǎn)及發(fā)展前景 電力需求側(cè)管理 2009,11 

　　[6]姜益強(qiáng) 淺談地源熱泵技術(shù) 工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2007,7 

　　[7]孫東良 淺議地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用 山西建筑 2009,9 

　　[8]劉恩海 何媛 熱泵技術(shù)及其發(fā)展與應(yīng)用 內(nèi)江科技 2009,30