地源熱泵技術(shù)應(yīng)用問題研究

【摘 要】地源熱泵是以地?zé)嶙鳛闊岜醚b置的熱源或熱匯來對建筑進(jìn)行采暖或制冷的技術(shù)。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），即可實(shí)現(xiàn)低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹臒崃哭D(zhuǎn)移。在冬季和夏季，分別將地?zé)崮茏鳛楦邷責(zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩矗诙緦⒌責(zé)帷叭　背鰜碛糜诓膳驘崴?yīng)，在夏季將室內(nèi)的熱量提取后釋放到地層中去。我國政府也在積極推廣運(yùn)用這項(xiàng)“綠色技術(shù)”，以減少煤耗、節(jié)約一次能源和改善環(huán)境。

【關(guān)鍵詞】地源熱泵；地?zé)豳Y源；暖通空調(diào)

1.大地耦合熱泵

大地耦合熱泵就是以地表淺層的土壤作為熱源或熱匯，它與傳統(tǒng)的空氣熱泵（ASHP）相比，具有很多優(yōu)勢。

1.1直接式和間接式大地耦合熱泵

大地耦合熱泵根據(jù)其蒸發(fā)器端與大地?fù)Q熱形式的不同，分為通過熱泵工質(zhì)-水換熱器的間接式系統(tǒng)，及采用熱泵工質(zhì)在埋于地下的盤管中直接膨脹的直接式系統(tǒng)。在間接式系統(tǒng)中，載冷劑或鹽水溶液被用來在熱源和蒸發(fā)器間傳遞熱量，它與直接蒸發(fā)系統(tǒng)相比具有一定優(yōu)點(diǎn)：增加了熱泵系統(tǒng)的靈活性，同時(shí)可使現(xiàn)場工程量降到最低并減免了制冷管路的安裝；但其缺點(diǎn)在于：引入帶有熱交換器的額外流體環(huán)路，增加了初投資，也帶來額外溫降。需要針對運(yùn)行工況優(yōu)化設(shè)計(jì)鹽水回路，此外用于載冷劑的流體性質(zhì)也很重要。在直接蒸發(fā)系統(tǒng)中，將蒸發(fā)器盤管直接埋入地下，可有效減少投資，尤其適合家庭熱泵系統(tǒng)，它的一種典型安裝方法是：使用一根或兩根并行的3/4″銅管，每根長90m，分為作為名義上兩缸或三缸壓縮機(jī)的地下盤管，這樣從地下抽熱比通常使用的間接式系統(tǒng)高。

1.2水平式和垂直式大地耦合熱泵

水平熱交換管的地下盤管由聚乙烯硬塑料管制成，并水平地敷設(shè)于土壤中。在這項(xiàng)技術(shù)中，管子的敷設(shè)深度和塑料管側(cè)間距是兩個重要參數(shù)。吸熱地面應(yīng)靠近待采暖的建筑物，土壤面積主要取決于土質(zhì)、含水量和該處的太陽照射時(shí)間。塑料管間距越小則熱利用效率越高，但熱交換管量增大、費(fèi)用上升，因此應(yīng)做技術(shù)經(jīng)濟(jì)性考慮。土壤中鋪設(shè)的管群最好分幾組，單根管長最好不超過100m，否則消耗的泵功率將過大。熱泵工質(zhì)一般采用鹽水溶液，即使在-15℃左右也不會凍結(jié)，低溫的鹽水溶液由土壤吸收熱量，然后傳給熱泵裝置的蒸發(fā)器，再通過熱泵過程，由冷凝器供給熱分配系統(tǒng)。此外，水平熱交換管還有回流式和串流式等不同的敷設(shè)方法，從傳熱效果看，后者的供液與回流管之間不存在熱交換，故對換熱有利，當(dāng)然，究竟采用何種方式應(yīng)視具體的土質(zhì)和地形而定。

垂直熱交換管就是其導(dǎo)管垂直安裝在土壤中。導(dǎo)管由內(nèi)外兩根管子組成。外管的下端封閉，內(nèi)管敞開，直徑較小。在徑向間距相同的情況下插在外管中。導(dǎo)管深度可達(dá)100m，并隨地質(zhì)、水文條件而變化。導(dǎo)管的材料除金屬外，也可采用聚乙烯塑料管。當(dāng)借助垂直導(dǎo)管吸取熱量時(shí)，將載熱劑經(jīng)內(nèi)管由上送至下，然后經(jīng)內(nèi)管和外管間的空間，再流回上方。在載熱劑向上流動的過程中就吸取了僅靠導(dǎo)管四周的土壤熱量。

總之，大地耦合熱泵的熱交換效果與砂土類型、含濕量、成分、密度和是否均勻緊貼換熱面有關(guān)。管材、沙土及地下水的腐蝕作用將影響傳熱和使用壽命。

1.3大地耦合熱泵有待解決的技術(shù)問題

大地耦合熱泵是節(jié)能環(huán)保型暖通空調(diào)技術(shù)，但還有許多有待解決的問題。大地耦合熱泵的顯著特征是用地下埋管換熱器來回收土壤熱源，該換熱器的傳熱將受到地區(qū)氣候和土壤等因素的影響。土壤溫度的分布，不僅是確定地下埋管總傳熱系數(shù)的基礎(chǔ)，而且也決定著大地耦合熱泵的效率，反映出投資的回收年限、占地規(guī)模大小以及該地區(qū)適于何種地下埋管形式，最終決定該地區(qū)是否適合采用大地耦合熱泵。因此，針對不同地區(qū)的土壤環(huán)境條件，應(yīng)采用不同的埋管深度和布置形式，這樣能產(chǎn)生不同的埋管傳熱效果。因此，如何進(jìn)一步強(qiáng)化地下盤管的傳熱過程、探討和開發(fā)新型換熱器的結(jié)構(gòu)形式，以及土壤特性對埋管換熱的影響機(jī)理和計(jì)算機(jī)輔助模擬試驗(yàn)、制冷劑及載冷劑替代等尚有待研究。

2.地下水熱泵

地下水熱泵是地源熱泵的一個分支，也是迄今為止使用得最廣泛的一種地源熱泵技術(shù)。這種熱泵是以地下深井水作為熱源或熱匯來對建筑進(jìn)行供熱或制冷的。由于地下深井水位于較深的地層中，因隔熱和蓄熱作用，其水溫隨季節(jié)氣溫的變化較小，特別是深井水的水溫常年不變，對熱泵運(yùn)行非常有利，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）整個水井系統(tǒng)占地面積小，布局緊湊，但卻可以抽取及回灌大量的地下水。（2）對大地耦合熱泵言，其地式熱交換器單位容量的造價(jià)基本上是個定數(shù)，而對大型地下水熱泵系統(tǒng)，其整個井水系統(tǒng)單位容量的價(jià)錢卻便宜得多，只需要一對較高流量的井即可滿足整幢建筑物的需求。（3）與傳統(tǒng)的空氣-水中央HVAC系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)良好的地下水熱泵循環(huán)幾乎無需維護(hù)費(fèi)，且當(dāng)?shù)叵滤毓嗟叫钏畬雍?，?shí)際地層中的含水量并不改變，不會造成地面沉降。（4）地下水熱泵在大型商業(yè)系統(tǒng)中使用已有數(shù)十年了，鉆井施工相對容易。

地下水熱泵這項(xiàng)技術(shù)也存在不足之處：（1）當(dāng)采用含水層畜存的水作為空調(diào)冷源或熱源時(shí)，其水溫要受到一定限制。（2）若鉆井施工不佳或水質(zhì)較差，則地下水可能會受到一定污染，而且回灌井的選址也應(yīng)考慮水文地質(zhì)條件。（3）若熱泵裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)或取水位置較深，那么泵的消耗費(fèi)用將上升。因此，在決定某地區(qū)是否采用地下水作為熱泵的冷熱源之前，首先應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密的現(xiàn)場泵水試驗(yàn)，看是否具備足夠的地下水水量；其次還需了解該處的地下水質(zhì)情況，以獲得較準(zhǔn)確詳盡的規(guī)劃方案。

3.地表水熱泵

它是利用地表的小溪、池塘、河流、湖泊等水作為熱源和熱匯對建筑進(jìn)行空調(diào)的熱泵技術(shù)。同常年溫度幾乎保持不變的地下水相比，地表水溫變化劇烈，因此在外界溫度很低的嚴(yán)冬季節(jié)，為了保證供暖所需的熱量，除熱泵外，往往還有安裝第二套熱發(fā)生裝置，即雙聯(lián)熱泵采暖系統(tǒng)。地表水熱泵在實(shí)現(xiàn)用水作熱源時(shí)，可采用下列方法。（1）將蒸發(fā)器直接安裝于地表水中，使用一種分體式裝置，由于地表水較臟，通常用板式熱交換器作為蒸發(fā)器。這種方法裝置簡單，價(jià)格低廉，但缺點(diǎn)是：當(dāng)?shù)乇硭话l(fā)生變化時(shí)蒸發(fā)器板難于固定，蒸發(fā)器表面也需經(jīng)常清理。此外，若蒸發(fā)器泄漏部位有制冷劑流出，則會損壞熱泵。（2）經(jīng)鹽水循環(huán)間接引用水的熱能。此系統(tǒng)同樣是在地表水中安裝板式熱交換器，但流經(jīng)蒸發(fā)器的不是制冷劑，而是鹽水溶液。由于鹽水溫度低于地表水，即可吸取其中的熱量，當(dāng)鹽水將熱量傳給熱泵后，溫度下降后再繼續(xù)吸收地表水的熱量。對于鹽水溶液至少應(yīng)保持其在-10℃時(shí)仍能流動。整臺熱泵連同蒸發(fā)器組成一個單元，地表水中的熱交換器、熱泵的熱交換器通過鹽水回路連在一起，其中的鹽水溶液由鹽水循環(huán)泵輸送，還需在回路中設(shè)置膨脹箱。整個方案應(yīng)保證地表水有足夠的熱勢、載熱劑系統(tǒng)有相應(yīng)的容量。這種系統(tǒng)也存在著板式熱交換器的固定和清理問題。（3）用泵站抽取地表水并輸送至熱泵的蒸發(fā)器。這種系統(tǒng)適用于對露天游泳池的水進(jìn)行加熱，也適用于大型建筑物、特別是該建筑物采用空調(diào)時(shí)。該系統(tǒng)使用可清洗的管式熱交換器作為蒸發(fā)器，首先要將地表水經(jīng)細(xì)密格柵引入泵站，降溫后的地表水需重新排回地表水源。嚴(yán)冬季節(jié)時(shí)，此系統(tǒng)需采用雙聯(lián)熱泵采暖裝置。（4）用井積聚經(jīng)河岸過濾的水并將其輸送至熱泵蒸發(fā)器。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)河岸過濾的水能防止污物進(jìn)入蒸發(fā)器，但費(fèi)用較高。

【參考文獻(xiàn)】

[1]羅萬軍，徐承立，馬洪亭.幾種主要建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2007，（11）.

[2]楊玲.建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景[J].甘肅冶金，2008，（01）.