基于地源熱泵技術(shù)的節(jié)能系統(tǒng)

任建興，劉劍濤，馬曉程，尤坤坤，楊涌文

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090)

地球內(nèi)部蘊(yùn)含著巨大的能量，地表以下10 m左右的土壤及地下水溫度幾乎不隨季節(jié)的變化而變化，常年維持在18℃左右，在大多數(shù)地區(qū)，地下水溫冬季比大氣溫度高，可作為低品位熱源供暖使用，夏季比大氣溫度低，可作為冷源使用.

地源熱泵是利用淺層地能進(jìn)行供熱制冷的新型能源利用技術(shù)，由于熱泵僅僅用來(lái)傳輸熱量，而不是產(chǎn)生熱量，所需要的熱量有70%以上來(lái)自于地下，夏天制冷時(shí)，將建筑物中的熱量傳入地下所消耗的電力也非常少，因此地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用，可以在一定程度上緩解我國(guó)的能源壓力［1］.

1 地源熱泵系統(tǒng)概述

1.1 地源熱泵的原理

地表淺層是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，收集了47%的太陽(yáng)能量，是人類(lèi)每年利用能量的500多倍.它不受地域資源等限制，量大面廣無(wú)處不在，這種儲(chǔ)存于地表淺層近乎無(wú)限的可再生能源，使得地能也成為清潔能源的一種形式.地源熱泵能夠充分利用地能，是一項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展技術(shù)［2］.

地源熱泵系統(tǒng)的核心設(shè)備是熱泵機(jī)組，其理論基礎(chǔ)是逆卡諾循環(huán).地源熱泵系統(tǒng)制冷時(shí)，可將淺層地下水或地表水作為散熱體;供熱時(shí)則將淺層地下水或地表水作為低溫?zé)嵩?，通過(guò)消耗部分電能從低溫?zé)嵩粗形崃?，其供熱量為消耗的電能與從低溫?zé)嵩粗形〉臒崃恐停?］.

1.2 地源熱泵系統(tǒng)的組成

一般來(lái)說(shuō)，地源熱泵系統(tǒng)用來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)以下3種需求:冬季供暖、夏季制冷以及全年的生活熱水，一套系統(tǒng)可以代替目前的空調(diào)和鍋爐兩種設(shè)備.地源熱泵系統(tǒng)主要包括室外管網(wǎng)系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、室內(nèi)末端系統(tǒng)以及控制系統(tǒng).對(duì)于土壤源熱泵，各個(gè)系統(tǒng)之間的換熱介質(zhì)主要有水-水和土-氣兩種.水-水型地源熱泵技術(shù)出現(xiàn)較早，20世紀(jì)60～70年代就已經(jīng)在歐洲地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，它是利用淺層地下水中的熱量作為低位熱源，這種地源熱泵系統(tǒng)一般用于地板輻射供暖;從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，某些地下水比較缺乏的地區(qū)漸漸研發(fā)出了一種利用土壤中熱量的方法，這種地源熱泵被稱(chēng)為土壤源熱泵，其室內(nèi)系統(tǒng)一般采用風(fēng)機(jī)系統(tǒng)供應(yīng)熱風(fēng)或者冷風(fēng).

地源熱泵系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1.

圖1 地源熱泵系統(tǒng)原理

1.3 地源熱泵的特點(diǎn)

(1)節(jié)約能源 地源熱泵可以吸收低溫?zé)嵩粗械臒崃坎鬏數(shù)礁邷靥帲虼藦脑砩蟻?lái)說(shuō)，只要熱泵的COP值大于1，這套系統(tǒng)就是節(jié)能的.實(shí)際上，市場(chǎng)上地源熱泵的COP值大多數(shù)都在3或者4以上，這就意味著地源熱泵系統(tǒng)的耗能低于輸出能量的1/3，擁有非常可觀的節(jié)能效果.通常，地源熱泵每消耗1 kW的能量，用戶(hù)可以得到4 kW以上的熱量或3 kW以上的冷量，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，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省2/3以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省1/2以上的燃料.另外，地源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，其性能要比空氣源熱泵高出40%左右［4］，其運(yùn)行費(fèi)用為普通中央空調(diào)的50% ～60%［5］.圖2為地源熱泵系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換示意.

圖2 地源熱泵系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換示意

(2)降低污染 與空氣源熱泵相比，地源熱泵的污染物排放相當(dāng)于減少了40%以下的排放量;與電供暖相比，相當(dāng)于減少70%以下的排放量;可比燃煤鍋爐減少30%的CO2的排放量［6］.同時(shí)其制冷劑的充注量約為常規(guī)空調(diào)的75%［7，8］.

(3)維護(hù)費(fèi)用低 地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行部件比常規(guī)系統(tǒng)少，因而維護(hù)次數(shù)少，維護(hù)費(fèi)用低;機(jī)組緊湊，空間節(jié)省;全電腦控制，性能穩(wěn)定，可以電話遙控，可以進(jìn)行溫濕度控制和新風(fēng)配送;系統(tǒng)安裝在室內(nèi)，不暴露在風(fēng)雨中，可免遭損壞，更加可靠，使用壽命更長(zhǎng)［9］.

(4)有效利用時(shí)間長(zhǎng) 地源熱泵系統(tǒng)可以滿(mǎn)足夏季制冷和冬季供暖的需求，還可以供應(yīng)四季的生活用熱水，有效利用時(shí)間長(zhǎng).

(5)節(jié)省設(shè)備空間 地源熱泵系統(tǒng)代替了原來(lái)的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置，系統(tǒng)緊湊，省去了鍋爐房和冷卻塔，節(jié)省了建筑空間［10，11］.

(6)制熱制冷系數(shù)較高 相比目前常用的空氣源熱泵，地源熱泵的優(yōu)越性較為明顯.全年溫度波動(dòng)小，冬季溫度比空氣溫度高，夏季比空氣溫度低，因此地源熱泵的制熱、制冷系數(shù)要高于空氣源熱泵.

2 地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用前景

在歐洲許多國(guó)家，地源熱泵得到了快速的應(yīng)用和發(fā)展.在歐洲中部和北部，地源熱泵的市場(chǎng)很大，由于其氣候條件，主要用于供熱，空調(diào)使用較少［12］.20世紀(jì)80年代到90年代初，美國(guó)開(kāi)展了冷熱聯(lián)供地源熱泵方面的研究［13］，取得了一系列研究成果并被大量應(yīng)用到工程實(shí)踐中.我國(guó)國(guó)土面積遼闊，經(jīng)緯度跨幅大，大多數(shù)地區(qū)有供熱及制冷需要，氣候條件與美國(guó)相似，因此美國(guó)在地源熱泵方面的經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)發(fā)展可再生能源技術(shù)有著重要的借鑒意義.

在我國(guó)，地源熱泵的研究始于20世紀(jì)80年代，最初的工作主要是適用性分析，對(duì)系統(tǒng)本身的研究較少，實(shí)際應(yīng)用幾乎沒(méi)有;97年以來(lái)與美國(guó)簽訂了一系列合作條約，在美國(guó)的幫助下開(kāi)始在華東地區(qū)建成了地源熱泵示范工程.目前，地源熱泵在我國(guó)華北、東北、西北、南方以及西藏高原都有應(yīng)用.我國(guó)地源熱泵技術(shù)的研發(fā)工作主要集中在適用性分析、對(duì)環(huán)境影響的評(píng)價(jià)、系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及地源熱泵系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)等方面，已逐步同國(guó)際接軌.

3 地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用方式

3.1 地源熱泵加太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)

地源熱泵加太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)原理如圖3所示.

圖3 地源熱泵加太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)原理

隨著季節(jié)的變化，該系統(tǒng)的工作模式需經(jīng)歷直接供冷模式、地源熱泵制冷模式、蓄熱工作模式、直接供熱模式和地源熱泵制熱模式5個(gè)階段.初夏時(shí)，由于氣溫不是太高，冷量的需求不大，同時(shí)土壤在經(jīng)歷一個(gè)冬季的抽熱后溫度很低，此時(shí)可以采用地下埋管中的液體循環(huán)方式直接對(duì)用戶(hù)供冷;盛夏時(shí)冷量需求增大，地源熱泵機(jī)組投入運(yùn)行;夏末秋初，系統(tǒng)基本沒(méi)有制冷任務(wù)，熱水消耗量也不大，為了冬季供熱需要，將太陽(yáng)能集熱器的熱水打入地下進(jìn)行蓄熱;深秋或初冬季節(jié)開(kāi)始供熱時(shí)，由于經(jīng)過(guò)了一個(gè)秋季的地下蓄熱，土壤溫度較高，此時(shí)可以利用土壤熱源直接供熱;直接供熱一段時(shí)間后用戶(hù)的需熱量逐漸到達(dá)峰值，此時(shí)將地源熱泵機(jī)組投入運(yùn)行.在冬季太陽(yáng)能有兩個(gè)作用:一是供應(yīng)熱水;二是給地下土壤補(bǔ)充能量［14］.

地源熱泵和太陽(yáng)能集熱器在不同季節(jié)的功能轉(zhuǎn)換，可以通過(guò)控制夏季閥門(mén)和冬季閥門(mén)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn).

3.2 地源熱泵空調(diào)加生活熱水系統(tǒng)

地源熱泵空調(diào)加生活熱水系統(tǒng)原理見(jiàn)圖4.

圖4 地源熱泵空調(diào)加生活熱水系統(tǒng)原理

在夏季制冷時(shí)，常規(guī)的地源熱泵系統(tǒng)機(jī)組的冷凝熱被直接排放，造成了一定的能源浪費(fèi).而在該系統(tǒng)中，冷凝熱被用來(lái)加熱生活用水，若其溫度未達(dá)到用戶(hù)需求，可以采用其他途徑，如電加熱器，進(jìn)一步加熱熱水，可以節(jié)約相當(dāng)一部分能量.冬季時(shí)使用熱泵循環(huán)水加熱生活用水并供暖.春秋季節(jié)既無(wú)制冷又無(wú)供暖需求時(shí)，熱源熱泵機(jī)組可以全部用來(lái)制造生活熱水.

3.3 地源熱泵加冰蓄冷系統(tǒng)

地源熱泵加冰蓄冷系統(tǒng)原理如圖5所示.

圖5 地源熱泵加冰蓄冷系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是從經(jīng)濟(jì)性方面來(lái)考慮的.由于我國(guó)夜間電價(jià)較低，因此夏季晚上可以通過(guò)制冷機(jī)組將冷量?jī)?chǔ)存在蓄冰系統(tǒng)中［15］，白天用電高峰時(shí)段，用儲(chǔ)存的冷量來(lái)供應(yīng)全部或部分空調(diào)負(fù)荷，少開(kāi)或不開(kāi)制冷機(jī)，這對(duì)城市電網(wǎng)具有明顯的“移峰填谷”作用，社會(huì)效益顯著［16］;用戶(hù)側(cè)的生活熱水可通過(guò)機(jī)組自帶的熱回收模塊制取，未用掉的熱水可在蓄水箱蓄存，若熱水量不夠，則采用電加熱方式補(bǔ)充熱水供應(yīng)［17］.該方案可減少地下?lián)Q熱器的一次性投資費(fèi)用，避免冬夏土壤的熱不平衡;同時(shí)系統(tǒng)效率高，運(yùn)行費(fèi)用低;但由于增加了冰蓄冷裝置，系統(tǒng)控制較復(fù)雜.

4 地源熱泵地下埋管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

全年冷、熱負(fù)荷平衡失調(diào)，將導(dǎo)致地埋管區(qū)域土壤溫度持續(xù)升高或降低，從而影響地埋管換熱器的換熱性能，降低地埋管換熱系統(tǒng)的運(yùn)行效率.因此，地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮全年冷熱負(fù)荷的影響［18］.本文以土壤源熱泵，采用豎直雙U形管埋管為例進(jìn)行分析.

4.1 地下?lián)Q熱量計(jì)算

地下?lián)Q熱量為:

式中:Ql——夏季向土壤排放的熱量，kW;

QL—— 夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷，kW;

Qr—— 冬季從土壤吸收的熱量，kW;

QR——冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷，kW;

REE——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù);

PCO——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù).

4.2 確定豎井埋管管長(zhǎng)

雙U管管長(zhǎng)為:

式中:L——豎井埋管總長(zhǎng)，m.

4.3 確定豎井?dāng)?shù)目及間距

根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，豎井深度H多取50～100 m，間距多取4～6 m，確定H值后可計(jì)算出豎井總數(shù)為:

5 結(jié)論

(1)我國(guó)幅員遼闊，各地接收太陽(yáng)輻射能量巨大，在地源熱泵的推廣應(yīng)用上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，地源熱泵系統(tǒng)有助于改善我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu);

(2)地源熱泵經(jīng)過(guò)幾十年的研究與應(yīng)用，技術(shù)上已經(jīng)很成熟，已開(kāi)發(fā)出了多種與其他可再生能源共同使用的系統(tǒng)，大大提高了地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，因此地源熱泵將在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)越來(lái)越大的比重.

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