淺談地源熱泵技術(shù)及其應(yīng)用

梁德婧 曹海霞

(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 蘇州 215006)

隨著全球氣候問題的日趨嚴(yán)峻和不可再生能源的急劇消耗,人們對于清潔、可再生能源的需求日益提高,世界各國都在積極探索未來能源轉(zhuǎn)型發(fā)展路線,加快開發(fā)可再生能源．地?zé)峋褪瞧渲幸环N極具優(yōu)勢的可再生清潔能源．在我國,對于地?zé)岬拈_發(fā)利用,尤其是利用地?zé)峁┡?、制冷的地源熱泵已?jīng)形成了一個(gè)快速發(fā)展的新型的產(chǎn)業(yè)．目前地源熱泵技術(shù)已在房地產(chǎn)業(yè)有了很好的應(yīng)用．

地?zé)崾莵碜缘厍騼?nèi)部的一種能量資源,即地球內(nèi)熱．它來源于地球的熔融巖漿和放射性物質(zhì)的衰變,還有極少部分能量來自于太陽．地?zé)豳Y源(又稱為地能)是指地球內(nèi)熱中,以現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平可以被人類開發(fā)利用的部分,包括地下水、土壤或地表水等．按照空間和賦存狀態(tài),地?zé)豳Y源可分為:淺層地?zé)豳Y源、水熱型地?zé)豳Y源、干熱巖地?zé)豳Y源．[1]本文簡單介紹利用地?zé)豳Y源制冷、供暖、提供熱水的高效節(jié)能空調(diào)技術(shù)——地源熱泵技術(shù)．

1 地源熱泵的發(fā)展歷史

國外的學(xué)者和企業(yè)對于地源熱泵的技術(shù)進(jìn)行了較早的研究,其發(fā)展歷史大致可分為3個(gè)階段: (1) 提出階段．早在1912年,瑞士人Zoelly就在一項(xiàng)專利中提出了地源熱泵的相關(guān)技術(shù)的設(shè)想,二戰(zhàn)結(jié)束后相關(guān)研究開始興起,但由于當(dāng)時(shí)化石能源價(jià)格低廉、儲量豐富,因此沒過多久這項(xiàng)研究就被擱置了．(2) 發(fā)展階段．1973年“能源危機(jī)”出現(xiàn),可再生能源的需求開始攀升,歐美國家開始大力研究地源熱泵技術(shù),在政府的支持下,經(jīng)過一系列試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬,形成一套完備的理論基礎(chǔ),但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)受限,地源熱泵并未大范圍推廣使用．(3) 高速發(fā)展階段．20世紀(jì)末,地源熱泵技術(shù)設(shè)備趨于完善,歐美國家開始大力推廣地源熱泵的應(yīng)用．

我國對于地源熱泵的研究起步較晚,基本可分為3個(gè)階段: (1) 起步階段(20世紀(jì)80年代—21世紀(jì)初)．地源熱泵概念開始是引起暖通空調(diào)技術(shù)界人士關(guān)注,之后相關(guān)的設(shè)計(jì)人員、施工人員、集成商、產(chǎn)品生產(chǎn)商等也逐漸被這個(gè)概念所吸引,但相關(guān)技術(shù)并不完善,并沒有被市場接受．(2) 推廣階段(21世紀(jì)初—2004年)．地源熱泵應(yīng)用逐漸廣泛,相關(guān)科學(xué)研究也活躍起來,但因缺少技術(shù)支持、初期投資較高等,導(dǎo)致推廣發(fā)展緩慢．(3) 快速發(fā)展階段(2005年—至今)．隨著國家對節(jié)能減排的重視以及技術(shù)設(shè)備逐漸成熟,地源熱泵技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展階段．[2]

2 地源熱泵的分類

(1) 傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)．

國際上根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同,通常將地源熱泵系統(tǒng)劃分為以下3種.

① 地埋管地源熱泵系統(tǒng)(又稱土壤源熱泵系統(tǒng)或大地耦合系統(tǒng))．地埋管地源熱泵系統(tǒng)的熱源是巖土體．巖土體溫度波動較小、熱容量大、換熱能力低,地表內(nèi)的空氣波動具有一定的延遲和衰減的作用,有助于進(jìn)行熱匯,穩(wěn)定性較高,因此應(yīng)用范圍很廣．但它占地面積很大,初期投資較高,熱物性測試偏差較大,所以建筑密集區(qū)受空間限制嚴(yán)重．

② 地下水源熱泵系統(tǒng)．地下水源熱泵系統(tǒng)的熱源是地下水．地下水水溫波動較小,因?yàn)樗谋葻崛莞?所以換熱能力很高,一般適用于地下水水量充沛、巖土體孔隙率大的地區(qū)．但地下水完全回灌能力差,維護(hù)量很大,并且潛水泵的耗能很高．

③ 地表水源熱泵系統(tǒng)．相較于前兩種地源熱泵,地表水源熱泵的占地面積最小,且換熱能力較高,一般適用于地表水水體面積、深度較大,地表水流量、流速較高且水流穩(wěn)定的地區(qū)．但這種熱泵的區(qū)域性限制較大,易受水文環(huán)境影響,溫度波動也很大,換熱設(shè)備易結(jié)板,導(dǎo)致壽命較短．[3]

(2) 復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)．

由于傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)的諸多局限性,無法滿足當(dāng)前市場需求,因此復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)得到了快速發(fā)展．復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)作為新形式,具有多熱源協(xié)同互補(bǔ)、蓄能調(diào)峰等特點(diǎn),更加節(jié)能環(huán)保,經(jīng)濟(jì)社會效益更加顯著．目前復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)主要有以下兩類.

① 地源熱泵—太陽能復(fù)合系統(tǒng)．地源熱泵—太陽能復(fù)合系統(tǒng)由地源熱泵機(jī)組、地埋管系統(tǒng)、太陽能集熱系統(tǒng)、末端系統(tǒng)4部分組成,其能量來源主要是太陽能和淺層地?zé)崮?圖1)．太陽能作為一種清潔可再生能源,提供地源熱泵壓縮機(jī)需要的電能,與地源熱泵系統(tǒng)結(jié)合節(jié)能效果優(yōu)越．但地源熱泵系統(tǒng)本身造價(jià)較高,太陽能集熱器的造價(jià)也比較高,因此導(dǎo)致該復(fù)合系統(tǒng)初期投資較高,應(yīng)用較少．

圖1 地源熱泵—太陽能復(fù)合系統(tǒng)示意圖

② 冷卻塔輔助冷卻地源熱泵系統(tǒng)．輔助冷卻地源熱泵系統(tǒng)是利用冷卻塔作為系統(tǒng)的輔助冷源,由熱泵機(jī)組、冷卻塔、地埋管系統(tǒng)、末端系統(tǒng)組成(圖2)．當(dāng)冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷,且超過20%時(shí),可采用此復(fù)合地源熱泵,避免地埋管吸熱量與放熱量不平衡量加大．地源熱泵的容量由冬季熱負(fù)荷確定,夏季超出部分的冷負(fù)荷由冷卻塔提供．在夏季利用冷卻塔與地埋管換熱器聯(lián)合運(yùn)行,可以減少對地下土壤的影響、加速土壤溫度的恢復(fù),實(shí)現(xiàn)冷卻塔與地埋管都能高效運(yùn)行．[4]

圖2 冷卻塔輔助冷卻地源熱泵系統(tǒng)示意圖

3 地源熱泵的工作原理

(1) 制冷機(jī)的工作原理．

圖3 制冷機(jī)的工作原理

(2) 地源熱泵的工作原理．

地源熱泵的工作原理與制冷機(jī)類似,它是利用淺層地?zé)豳Y源的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)設(shè)備． 通過輸入少量的高品位能源(如電能),實(shí)現(xiàn)從低位熱源吸收熱量并與高位熱源發(fā)生熱交換,從而達(dá)到制冷或供暖的效果．目前使用較廣泛和應(yīng)用前景較好的地源熱泵主要是地埋管地源熱泵系統(tǒng),它主要是由室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)、熱泵機(jī)組以及埋置于地下的地埋管換熱系統(tǒng)組成．由于地表5m以下的巖土層常年保持相對恒定的溫度,相對于地表來說具有“冬暖夏涼”的特點(diǎn),因此可利用地源熱泵系統(tǒng)通過地埋管內(nèi)循環(huán)流體與巖土層的熱量交換,實(shí)現(xiàn)制冷、供暖．在夏季制冷時(shí),地能作為制冷的冷源,將巖土層作為排熱場所,通過地埋管將從室內(nèi)取出的熱量釋放到土壤中,再通過土壤的導(dǎo)熱和土壤中水分的遷移把熱量擴(kuò)散出去,達(dá)到室內(nèi)降溫的效果．而在冬季供熱時(shí),地能作為熱泵供熱的高溫?zé)嵩?地源熱泵系統(tǒng)利用地埋管獲取地下熱量為室內(nèi)供熱．[6]通常地源熱泵消耗1 kW·h的能量,用戶可以獲得或被帶走4 kW·h以上的熱量．

地源熱泵系統(tǒng)中最重要的部分就是地埋管換熱系統(tǒng),它直接影響到整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)的性能優(yōu)劣．目前地埋管采用的材料主要是耐腐蝕的高密度聚乙烯管．采用的循環(huán)流體主要是水,也可添加其他特殊介質(zhì),如在特別寒冷的地區(qū)可以添加適量防凍液以防止循環(huán)流體凍結(jié)．對于埋管方式,有豎直埋管和水平埋管之分,但是由于水平埋管方式占地量大且挖掘工程較重,在土地資源緊張的公建建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)中很少使用,所以目前市場上主要采用豎直埋管方式,鉆孔占地面積也較少．在豎直埋管換熱器的埋管方式中,以U型埋管應(yīng)用最為廣泛(如圖1、圖2所示),規(guī)范埋管深度60-100 m左右．另外,隨著埋管深度的增大,換熱效果也會隨之變好,當(dāng)達(dá)到一定深度后,溫度趨于恒定．但是由于費(fèi)用的隨之提高、不同地區(qū)土壤熱物性差異、建筑物的需求等原因,具體埋管深度還要做具體考察．以蘇州某地產(chǎn)項(xiàng)目為例,該項(xiàng)目總建筑面積約為9.4×104m2,最大建筑高度57 m．全項(xiàng)目生活熱水集中由地源熱泵熱水系統(tǒng)提供,此工程采用鉆孔垂直埋管,單U連接,共設(shè)計(jì)鉆孔150個(gè),鉆孔間距5 m,地源孔垂直有效深度為80 m．[7]通過管路中的水循環(huán),從淺層常溫的地壤中獲取或者散發(fā)的能量,供室內(nèi)的采暖或制冷,能量通過一套低耗機(jī)組傳輸,以保證室內(nèi)常年保持在人體舒適的溫度和濕度．

4 地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用及存在問題

地源熱泵系統(tǒng)和毛細(xì)管頂棚輻射空調(diào)系統(tǒng),是屬于近年來運(yùn)用到住宅中的一項(xiàng)新型節(jié)能科技,是高舒適度、低能耗的空調(diào)系統(tǒng)．毛細(xì)管系統(tǒng)概念和產(chǎn)品皆源自德國,發(fā)明人為德國貝卡公司的負(fù)責(zé)人,于1986年首次投入實(shí)際工程中,之后陸續(xù)用于歐洲眾多高端商業(yè)建筑、政府大樓、別墅和醫(yī)療建筑中．科技住宅在房屋建造時(shí),在混凝土樓板層中直接鋪設(shè)盤管,以地源熱泵充當(dāng)冷熱源,為毛細(xì)水管中的水進(jìn)行降溫或者加熱,從而對室內(nèi)的溫度、濕度進(jìn)行智能化的調(diào)控．毛細(xì)水管均勻分布,覆蓋到每個(gè)房間,沒有噪音、沒有明顯的吹風(fēng)感．

地源熱泵技術(shù)作為一種利用地?zé)崮艿沫h(huán)保、節(jié)能空調(diào)技術(shù),在近幾年取得了快速發(fā)展,但目前的地源熱泵技術(shù)理論及技術(shù)方面還有許多待研究的問題: (1) 初期投入較大,尤其地下打井埋管費(fèi)用．另外,要達(dá)到良好的使用效果,建筑物的輔助部分,如新風(fēng)系統(tǒng)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等的投入也比較大．(2) 從設(shè)計(jì)到施工的要求都比較高,并且后期維護(hù)的難度相對較大．(3) 地埋管管群熱干擾及熱堆積問題．針對于地埋管地源熱泵系統(tǒng),由于項(xiàng)目規(guī)模擴(kuò)大,需要在有限的空間增大地埋孔數(shù)量,地埋管管群內(nèi)換熱器之間的熱干擾直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行,使得系統(tǒng)可能無法滿足建筑的供熱需要,同時(shí)如果抽取和排放的熱量長時(shí)間不對等,將會造成土壤溫度嚴(yán)重失衡,長此以往系統(tǒng)不但不能達(dá)到節(jié)能的效果,運(yùn)行費(fèi)用還會提高,[3]土壤環(huán)境也會受到一定影響．

5 我國地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢

隨著國家“環(huán)境友好型、資源節(jié)約型”可持續(xù)發(fā)展道路的提出,未來我國地源熱泵的發(fā)展趨勢有以下幾點(diǎn): (1) 各種新型的地源熱泵系統(tǒng)將會不斷被開發(fā)并使用; (2) 土壤源、地表水源熱泵的數(shù)量會增加,而相應(yīng)的地下水源熱泵數(shù)量會減少; (3) 地源熱泵與蓄能系統(tǒng)相結(jié)合,針對系統(tǒng)配置、運(yùn)行策略等進(jìn)行研究,提高系統(tǒng)性能、降低裝機(jī)容量、降低投資及運(yùn)行費(fèi)用．

工業(yè)發(fā)展依賴于能源的消耗,隨著發(fā)展逐漸加快,對于能源的需求會越來越大,而由于石油、煤炭等化石資源的枯竭,可再生能源的開發(fā)利用越來越受到關(guān)注．地源熱泵系統(tǒng)在利用可再生能源方面有著巨大的優(yōu)勢,對建筑物節(jié)能減排起著重要的作用．雖然對于地源熱泵系統(tǒng)的理論研究和技術(shù)開發(fā)還存在著不少的問題,但隨著理論的深入研究和技術(shù)的不斷完善以及國家政策的支持鼓勵,地源熱泵的研究應(yīng)用將會越來越廣泛．