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            應用情況

            地源熱泵系統及其應用

            引言  
              熱泵技術是在高位能的拖動下,將熱量從低位熱源流向高位熱源的技術。它可以把不能直接利用的低品位熱能(如空氣、土壤、水、太陽能、工業廢熱等)轉化為可利用的高位能,從而達到節約部分高位能(煤、石油、天然氣、電能等)的目的。利用低位能的熱泵技術可以節約燃料,合理利用能源,減輕環境污染。作為一條節能與環保并重的途徑,熱泵技術在礦物能源日益緊張的當今世界,已引起人們的興趣和重視。地源熱泵是利用地下能源的熱泵系統,這是它與水一空氣源熱泵以及空氣熱泵的最主要區別。冬季通過熱泵將大地中的低品位熱能提高品位對建筑供暖,同時蓄存冷量以備夏季使用;夏季通過熱泵將建筑物內的熱量轉移到地下,對建筑物進行供冷,同時蓄存熱量以備冬季使用。
              1 地源熱泵系統的分類及特點
              典型的地源熱泵系統主要由壓縮機、水一制冷劑熱交換器、水泵、制冷劑一水(或制冷劑一空氣)熱交換器、節流裝置和電氣控制設備等組成。傳統的地源熱泵系統采用較多的是U型豎埋管換熱器。根據埋管深度分為淺層(<30m)、中層(30—100m)、深層(>lOOm)三類。地下蓄能系統的埋管較靈活,可布置在草坪、花園、農田下面或湖泊、水池內,可布置在土壤、巖石或地下水層內,也可在混凝土樁內埋管。根據利用熱源的種類和方式不同,可分為以下三類:地下水熱泵、地表水熱泵、土壤源熱泵或稱土壤耦合熱泵。
              1.1 地下水熱泵系統
              目前在民用中已經很少使用,主要應用在商業建筑中。最常用的系統形式是采用水一水式板式換熱器,一側走地下水,一側走熱泵機組冷卻水。早期的地下水系統采用的是單井系統,即將地下水經過板式換熱器后直接排放,這樣做一則浪費地下水資源,二則容易造成地層塌陷,引起地質災害。于是產生了雙井系統,一個井抽水,一個井回灌。地下水熱泵系統的優勢是造價比土壤源熱泵系統低。另外水井也很緊湊,不占什么場地,技術也相對比較成熟,水井承包商也容易找。其劣勢在于:(1)有些地方法規禁止抽取或回灌地下水;(2)可供的地下水有限;(3)如水質不好或打井不合格要注意水處理,控制不良或水井與建筑偏遠,泵耗能就會過大。
              1.2 地表水熱泵系統
              地表水熱泵系統主要有開路和閉路系統。在寒冷地區,開路系統并不適用,只能采用閉路系統。地表水熱泵系統具有相對造價低,泵耗能低,維修率低以及運行費用少等優點。但是,在公共用的河中,管道或水中的其他設備容易受到損害。另外,如果湖泊過小或過淺,湖泊的溫度會隨著室外氣候發生較大的變化,這就會產生效率降低,制冷或供熱能力降低的后果。
              1.3 土壤源熱泵
              土壤源熱泵以大地作為熱源,熱泵的換熱器埋于地下與大地進行冷熱交換。系統主機通常采用水一水式或水一氣式熱泵機組。
              1.3.1 按地下埋管形式可分為水平埋管、垂直埋管和蛇形埋管
              (1)水平埋管熱泵系統,F在歐洲普遍使用的此類系統多只用于采暖。水平埋管系統有單層和雙層兩種形式,可采用u形、蛇形、單槽單管、單槽多管等形式。
              (2)垂直埋管熱泵系統有淺埋和深埋兩種。在垂直埋管系統中,管道深入地下,土壤熱特性不會受地表溫度影響,因此能確保冬季散熱與夏季得熱間土壤的熱平衡。平衡的方法可以采用集熱器,在夏季集中熱量并送入地下加熱土壤,或使熱泵反轉在夏季為土壤加熱,以備冬季之用。集熱設備一般采用太陽能和風能集熱,此類設備具有高蓄熱能力、溫升能力。垂直埋管熱泵系統較水平系統有許多優點:占地面積小,土壤的溫度和熱特性變化小,需要的管材少,泵耗能低,能效比很高。而劣勢主要在于由于相應的施工設備和施工人員的缺乏,造價偏高。
              (3)蛇行埋管換熱器比較適用于場地有限又較經濟的情況下。雖然挖掘量只有單管水平埋管換熱器的20%一30%,但是用管量會明顯增加。這種方式優缺點類似于水平埋管換熱器,所以有的文獻將其歸入水平埋管換熱器。
              1.3.2 按有無中間流體分類
              土壤源熱泵分為二次流體地耦熱泵,即在制冷劑和大地之間存在一種中間流體,多為水、鹽水或乙二醇溶液;另一種用得較少是直接膨脹式地耦熱泵系統,即利用大量制冷劑直接在地下盤管內與環境進行熱交換。
              1.3.3 按與土壤換熱管道材料分類
              現在用于土壤系統的管道材料多采用熱熔性塑料,包括聚乙烯管、聚丁烯管和聚氯乙烯管(PVC)。由于高密度聚乙烯具有高強度和抗腐蝕能力,所以選用這一類柔性材料作為地下埋管換熱材料的土壤源熱泵系統壽命可長達5O年之久。
              1.3.4 土壤源熱泵系統性能的影響因素
              (1)4-壤的溫度是影響土壤源熱泵系統的主要因素。熱泵的效率主要取決于建筑物室內與室外溫度差,該溫度差減少則熱泵效率就可以提高。(2)土壤特性對土壤源熱泵系統的影響,土壤的類型、熱特性、熱傳導性、密度、濕度等也是影響系統性能的主要因素。
              1.3.5 土壤源熱泵的特點
              (1)大幅度節約能源,輔助動力少。評價土壤源熱泵系統性能的參數之一是輔助動力的容量,它是系統經濟性分析的重要因素。地下埋管系統的熱泵及室內水環路系統同水一空氣、水一水等熱泵系統相似,但其室外設備不再需要其它能量,諸如冷卻塔,僅設置管道泵作為水在盤管中的循環動力。水流速度是決定泵容量的最主要因素。為了保證充分地熱交換和地下管道的水力平衡,地下埋管系統嚴格控制臨界速度,因為水流處于層流狀態,傳熱會惡化,甚至由于水流速度慢會出現氣塞現象,造成水力不平衡。而在紊流狀態下再增加流速不會對傳熱帶來多大改善,因為此時熱阻主要是由土壤和管道熱阻造成的,水的熱阻相對來說很小,此時增加流速只會增加泵的容量。一般來說,一個好的水平埋管系統循環泵的輸入功率只為整個系統的5%-7%。
              (2)運行管理方便,運行狀況好。土壤源熱泵另一個優點是對設備的維護要求不高。這種系統減少了室外的許多運轉設備,不需冷卻塔,鍋爐等要經常維護的設備。另外對熱泵系統來說,為了解決結霜問題,不得不采用換向閥、電加熱等方式間歇地為熱泵除霜。融霜后的突然啟動對熱泵壓縮機最危險。而土壤源熱泵系統與大地進行換熱,大地的溫度保證了它不會結霜,也就沒有融霜循環。運轉部件少則系統噪音小,這很適用于對噪音有要求的住宅、醫院等地區。
              2 地源熱泵應用過程中的不利因素
              雖然地源熱泵系統具有很多優點,已經成功的應用在商用建筑和公共事業中,但是在地源熱泵的設計開發和安裝過程中仍然存在著許多問題需要解決。(1)冷天氣問題。該類問題主要與冬季惡劣的天氣有關。通常指在異常寒冷天氣工況下系統中某一獨立熱泵單元跳閘或整個系統執行自動保護的現象。其它的故障包括由于未保護水管造成水管凍結、凍破或綜合建筑物內部管路的損壞.或供暖無效引發的室內舒適性問題。(2)舒適性欠佳。這類問題的原因包括系統沒有足夠的供, 冷、供熱能力滿足建筑物冷、熱負荷的需求,這可能與地熱設備容量偏小、建筑物的密封性不佳、室內空氣分布系統設計不合理有關。(3)設備故障及系統頻繁地執行自動保護功能。(4)泄漏。對水— — 水地源熱泵系統,存在源側或源側與負荷側的水泄漏。發生的部位可能會出現在地下的集管、回路,供回水井的配件,分布在建筑物內的管路、配件、機械裝置,也有個別建筑物出現內部水漬情況,這與泄漏的位置有關。(5)噪聲。如果系統設計時沒有考慮系統運行的噪聲水平是否符合建筑物的使用標準,那么空氣噪聲和水流噪聲都可能會出現問題。(6)運行費用。地源熱泵系統的主要運行費用包括用電費用、維修費用和管理費用。通常系統運行時的主要問題是實際費用超過設計階段時的預計費用。(7)回水井溢出或堵塞及設備運行不合理。
              3 限制地源熱泵廣泛應用的因素
              (1)用戶的接受程度和滿意度?諝庠礋岜煤腿細、燃煤供熱技術比較成熟,應用較為廣泛,與地源熱泵系統相比具有很大的競爭力。(2)地源熱泵技術涉及暖通空調技術、地質技術和鉆井技術等多方面的知識。這樣對工程人員的知識面和施工經驗有較高的要求.因此加強對技術人員的培訓顯得非常重要。(3)對生態環境影響的分析與監督。地下水回灌技術的的不完善會造成地下水資源的浪費,某些制冷劑、冷凍液、防銹劑和填料會造成水資源或土壤資源、地表植被的污染或破壞。如何防范還有待深入研究。(4)目前國內關于地源熱泵系統的性能評價標準還不是很完善,地源熱泵系統的性能分析測試和比較不規范,因此需要建立有效的評價標準。(5)地源熱泵系統在不同地域的適用性和性能穩定性的問題。各地的地質結構相差很大,造成埋地盤管與土壤間的換熱系數差別很大。這樣造成系統的初投資成本的波動問題。
              4 應用前景展望
              雖然地源熱泵有許多缺點,有關地源熱泵的研究仍有大量工作要做,但是由于地源熱泵突出的節能、環保的優點,21世紀,能源供應更加緊張,2004年北京、上海、廣州等地又提高了建筑節能標準,應用前景十分廣闊。特別是我國幅員遼闊,大部分地區位于溫帶,而長江中下游地區七月氣溫比同緯度其他地區一般高出2℃左右,同時這個地區水網地帶多,十分潮濕,濕度常保持在80%左右;而一月的氣溫比同緯度其他地區一般要低8-10~C,而濕度又高達到73%~83%,陰冷寒涼。然而由于長江中下游地區是傳統上的非采暖地區,居住建筑缺乏節l}計標準建筑圍護結構的保溫隔熱性能要比采暖地區差得多,夏季通常采用風冷空調來供冷,冬天借助于高位能的電來采暖。因此,該地區的能量使用效率相當低,考慮到該地區夏季供冷天數和冬季供熱天數相當,地源熱泵系統可以充分發揮地下蓄能的特點,用最少的能耗獲得最大的效益。


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