地源熱泵應(yīng)用技術(shù)探討

湯國慶

【摘要】在介紹地源熱泵技術(shù)應(yīng)用工程實踐的基礎(chǔ)上，分析地源熱泵系統(tǒng)使用方便、可供熱（制冷）及最大限度地回收地位熱能、節(jié)約能源等特點，通過節(jié)能效果、經(jīng)濟效益分析，證明地源熱泵技術(shù)是一種環(huán)保、節(jié)能、“零”污染、“零”排放的新能源技術(shù)。在有條件的地方，可大力推廣應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】地源熱泵;應(yīng)用;環(huán)保

引言

當今社會，環(huán)境污染與能源危機已經(jīng)成為全人類必須面對冰妖加以解決的重大課題，節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟任務(wù)艱巨，任重而道遠。在這種背景下，傳統(tǒng)的鍋爐取暖、空調(diào)制冷不僅排放大量污染物，而且消耗能源。

以環(huán)保和節(jié)能?為主要特征的綠色建筑及相應(yīng)的供暖空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)運而生，而地源熱泵技術(shù)正是滿足這些要求的比較有代表性的低耗能新型供暖制冷空調(diào)技術(shù)。

1地源熱泵技術(shù)原理

地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源既能供熱又能制冷的高效節(jié)能環(huán)保型空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵是利用地球上水和土壤中所儲存的太陽能資源作為冷、熱源，進行轉(zhuǎn)換的空調(diào)技術(shù)。地球表面淺層水源（一般在1000米以內(nèi)）和土壤吸收了太陽能射入地球的輻射能。水源（土壤）的溫度一般都十分穩(wěn)定。

地源熱泵包括地下水熱泵、地表水（江河湖水、水庫水、海水、城市中水、工業(yè)尾水、坑道水等）熱泵以及土壤源熱泵。

地源熱泵技術(shù)工作原理為：地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（電能），即可實現(xiàn)能量從低溫熱源向高溫熱源的轉(zhuǎn)移。在冬季，把土壤中的熱量“取”出來，提高溫度后供給室內(nèi)用于采暖;在夏季，把室內(nèi)的熱量“取”出來釋放到土壤中去，并且常年能保證地下溫度的均衡。通常地源熱泵消耗1KW的能量，用戶可以得到4kw以上的熱量或冷量。

2地源熱泵技術(shù)應(yīng)用實例

2.1項目背景

居民小區(qū)位于淄博新區(qū)張店區(qū)政府南鄰。該區(qū)塊未來將成為新的城市發(fā)展增長極和現(xiàn)代城市形象的核心區(qū)。區(qū)塊原來的取暖、制冷方式顯然與區(qū)域的發(fā)展不相匹配。只有新技術(shù)的應(yīng)用才能符合城市可持續(xù)發(fā)展的要求，所以在小區(qū)的建設(shè)中采用了地源熱泵技術(shù)。

經(jīng)過考察測試，居民小區(qū)所在區(qū)域有著豐富的地下水資源，為減少能源消耗和環(huán)境污染，充分利用自然水資源，決定在紫園小區(qū)的多層住宅安裝地源熱泵系統(tǒng)。目前小區(qū)仍在建設(shè)中，實例是以紫園一棟使用了兩個冬季、夏季多層住宅為例進行分析。

2.2方案確定

2.2.1方案設(shè)計

冬季從地下提取熱量來計算地埋管數(shù)量，按山東淄博地區(qū)地埋管單位埋深取熱量為45～50W，取其下限值，單位取熱量為45W，按每孔埋深120m計算。豎埋管孔距為4m。單孔可提供5.4kW的熱量。根據(jù)該多層住宅所需的熱量165kW，計算需打孔31口，考慮15%的富余量計算，其總共需鉆孔36口。

以夏季從地下提取熱量來計算地埋管數(shù)量，按山東淄博地區(qū)地埋管單位埋深取熱量為60～70W，取其下限值，單位取熱量為60W，按每孔埋深120m計算。豎埋管孔距為4m。單孔可提供7.2kW的熱量。根據(jù)該多層住宅所需的熱量185kW，計算需打孔26口，考慮15%的富余量計算，其總共需鉆孔30口。

綜合冬季和夏季鉆孔數(shù)量，確定鉆孔36個。

2.2.2系統(tǒng)型式

地源熱泵系統(tǒng)分3個子系統(tǒng)：

（1）由地面鉆孔的循環(huán)水，供至地源熱泵機組，通過機組內(nèi)的循環(huán)，將循環(huán)水熱（冷）能轉(zhuǎn)換到機組。

（2）機組將轉(zhuǎn)換熱（冷）能再通過循環(huán)傳遞到耦合器。

（3）耦合換熱器將機組熱（冷）能傳遞到采暖（制冷）系統(tǒng)，通過風機盤管放熱（冷）到房間。

3個系統(tǒng)獨立運行，同時啟動。單設(shè)備開啟臺數(shù)主要結(jié)合室外溫度參數(shù)確定，通過機組控制系統(tǒng)，實現(xiàn)供熱和制冷。

2.2.3系統(tǒng)流程

流程方案為：與土壤能量交換后的水由泵送至耦合式換熱器換熱后提供二次水由泵經(jīng)兩級地源熱泵機組提取熱（冷）量，兩級熱泵機組冷凝側(cè)供回水，由泵送至末端風機盤管，供冬季采暖夏季制冷。

2.3.2運行效果

熱泵機組經(jīng)過2個冬季和夏季的運行，與傳統(tǒng)采暖及制冷相比節(jié)能效果如下：

（1）采用傳統(tǒng)取暖方式取暖，每年需要支付取暖費為24元/㎡，采用熱泵機組供暖，取暖期耗電量（以一戶建筑面積344㎡為例）實測為：98?kW·h/d×90d=8820?kW·h，折合費用為8820×0.55=4851元。傳統(tǒng)取暖費為24×344=8256元。相當于節(jié)能41%，效果十分顯著。

（2）采用傳統(tǒng)空調(diào)制冷年需耗電量計算（利用戶式中央空調(diào)）：

制冷功率：344㎡×150W/㎡÷2.7=19111W≈19kW。

用電量為：19kW×14h/d×45%×90d=10773?kW·h。

折合電費為10773×0.55=5925元

采用熱泵機組制冷年耗電量實測為：115kW?÷24h×14h/d×90d?=6075kW·h，折合電費為3320元。相當于節(jié)能44%，效果十分顯著。

2.3.3經(jīng)濟效益

通過實例綜合分析，無論夏天制冷還是冬天采暖，采用地源熱泵技術(shù)節(jié)能效果顯著，給用戶帶來了實實在在的經(jīng)濟效益。

2.3.4應(yīng)用效果

地源熱泵機組系統(tǒng)性能穩(wěn)定，便于操作。

3設(shè)計和工程中存在的問題

3.1關(guān)于地下水源開采—回灌和土壤換熱器的比較

近幾年來地源熱泵的發(fā)展主要形式是地下水源開采—回灌形式的水源熱泵系統(tǒng)。這種形式面臨的最大問題是回灌問題。華北、華東地區(qū)的地下水位下降，地面沉降問題一直很嚴重，像天津、上海，多年來面臨嚴重的地沉問題。

但如果采用像采用紫園小區(qū)豎直埋管的土壤換熱器形式，不用開采和回灌地下水，沒有破壞自然環(huán)境的擔憂。另外的優(yōu)點是系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定、安全，沒有需要更新和維修潛水泵的煩惱。

3.2盡量避免冬季采用防凍液介質(zhì)

很多資料中介紹了防凍液的種類、性能等。但在淄博地區(qū)，因為地下溫度不是很低，只要設(shè)計足夠的土壤換熱器數(shù)量，可以在使用水作為介質(zhì)的情況下滿足需要。盡量不使用防凍液，避免使用不慎造成環(huán)境問題和因溫度太低降低熱泵效率。

3.3系統(tǒng)管線材質(zhì)

系統(tǒng)的管材質(zhì)量必須保證合格，所以在工程上采用PE或PB管材以保證管線材質(zhì)。

4結(jié)束語

當今社會對環(huán)保的要求越來越高，同時能源也隨著經(jīng)濟發(fā)展使用量猛增而日益枯竭，這種形勢就迫使人們不斷開發(fā)利用新的能源和更先進節(jié)能的運行方案。通過紫園小區(qū)的應(yīng)用實例分析，證明地源熱泵技術(shù)可將未利用可再生的能源的熱能收集后加以利用，是環(huán)保、節(jié)能、“零”污染、“零”排放的新能源技術(shù)，具有廣泛的推廣價值。