地源熱泵技術

克萊門特捷聯制冷設備(上海)有限公司 崔旭 沈陽新瑞特機電設備有限公司 錢鎮

地源熱泵技術

克萊門特捷聯制冷設備(上海)有限公司 崔旭1沈陽新瑞特機電設備有限公司 錢鎮2

環境污染和能源危機已成為當今社會的兩大難題,因此盡可能少地消耗能源為建筑物創造舒適環境已經成為空調的發展方向,開發利用天然的冷/熱源能夠為空調帶來節能和環保雙重效益,因而越來越受到人們的重視。現如今正在興起一種新的采暖及制冷方式,地源熱泵技術,采暖及制冷采用同一套系統,并實現了環保和節能。

一、地源熱泵概念

地源熱泵是一種利用淺層和深層的大地能量,包括土壤、地下水、地表水等天然能源作為冬季熱源和夏季冷源,然后再由熱泵機組向建筑物供冷供熱的系統,是一種利用可再生能源既可供暖又可制冷的新型中央空調系統。如下圖所示:

二、地源熱泵系統的原理

地源熱泵系統的原理根據熱力學第一定律。

熱力學第一定律即能量守恒及轉化定律:能量既不會憑空產生,也不會憑空消滅,它只能從一種形式轉化為其他形式,或者從一個物體轉移到另一個物體,在轉化或轉移的過程中,能量的總量不變。

對于地源熱泵空調系統在冬季運行時機組內部的制冷劑從地下(土壤、地下水、地表水等)吸收熱量U1,壓縮機利用電能驅動對制冷劑系統做的有用功為W (為壓縮機對系統內作功),則此時機組為用戶提供的制熱量為U2,則U2=U1+W

壓縮機對制冷劑系統所做的有用功是消耗電能實現的,因此機組的耗電量U3與機組對內做的有用功W及在壓縮機對內作功的同時會以熱的方式消耗小部分熱量Q的關系為: U3=W+Q W=U3-Q

即U2=U1U3-Q

但由于機組的保溫措施較好,消耗的小部分熱量往往可以忽略不計,因此 U2≈U1+U3

即冬季運行時地源熱泵系統的制熱量等于機組內部的制冷劑從地下(土壤、地下水、地表水等)吸收熱量與壓縮機耗電量之和。

地源熱泵機組在夏季運行時與冬季不同的處為,機組內部的制冷劑向地下(土壤、地下水、地表水等)的放熱量為U2,機組為用戶提供的制冷量為U1。

則

其它與冬季運行工況同,最后仍可得出

即夏季運行時地源熱泵系統需要向地下(土壤、地下水、地表水等)的放熱量等于機組制冷量與壓縮機耗電量之和。

從以上冬、夏季地源熱泵系統運行分析可知,兩者所用的公式是相同的,就是各個字母所代表的參數有所變化。這就是地源熱泵的特殊之處,冬季冷凝器與用戶側連接,為用戶供暖,蒸發器與地源側連接,從土壤中吸取熱量(在此過程中將土壤制冷);夏季冷凝器與地源側連接,此時的冷凝器所放的熱量變為了廢熱排入地下,冷凝器與用戶側連接為用于制冷(就是吸取用戶內的熱量)。這種地源側和用戶側的轉換可以在內部通過四通換向閥改變機組內部制冷劑的管路來實現,也可通過水路手動閥門或電動閥門的切換來實現。壓縮機利用所耗的電能為主機內部的制冷劑系統提供有用功,使制冷劑系統不斷地進行吸熱(制冷)和放熱(采暖)的循環。

三、地源熱泵技術的特點

(1)屬可再生能源利用技術。地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源(通常小于400米深)作為冷熱源,進行能量轉換的供暖空調系統。地表淺層地熱資源可以稱之為地能,是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低溫位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器,收集了47%的太陽能量,比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制,真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源,使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。(2)屬經濟有效的節能技術。地能或地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩定,冬季比環境空氣溫度高,夏季比環境空氣溫度低,是很好的熱泵熱源和空調冷源,這種溫度特性使得地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高。另外,地能溫度較恒定的特性,使得熱泵機組運行更可靠、穩定,也保證了系統的高效性和經濟性。據美國10年來的統計資料,地源熱泵的運行費用(采暖)比耗電空調節約22%～25%,比燃油、燃煤鍋爐運行費用節約40%～60%。(3)環境效益顯著。該裝置的運行沒有任何污染,可以建造在居民區內,沒有燃燒,沒有排煙,也沒有廢棄物,不需要堆放燃料廢物的場地,且不用遠距離輸送熱量。(4)一機多用,應用范圍廣。地源熱泵系統可供暖、制冷,還可供生活熱水,一機多用,一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統;可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑,更適合于別墅住宅的采暖、制冷。(5)地源熱泵空調系統維護費用低。在同等條件下,采用地源熱泵系統的建筑物能夠減少維護費用。地源熱泵非常耐用,它的機械運動部件非常少,所有的部件不是埋在地下便是安裝在室內,從而避免了室外的惡劣氣候,其地下部分可保證50年,地源熱泵是維護少,節省了維護費用。(6)地源熱泵推廣的障礙。地埋管的應用會受到當地地質條件的制約。打孔和埋管要占用部分面積。一次性投資費用比其他系統高,主要是相當于額外增加地下埋管打孔費用。地質情況的不確定性比較大,系統設計的技術要求比較高。政府、建筑設計人員和公眾對這一技術缺乏了解。

四、結語

地源熱泵利用地下蓄存的能量及二次能源電能,為用戶提供制冷和采暖的需求,即節能又環保,是一項值得長期推廣的項目,但同時也需要相關的技術單位更好更快的進行深入的專研和開發,使地源熱泵技術變得更加的成熟,更有效的服務于人民,并解決能源緊張問題。

[1]廉樂明.工程熱力學.中國建筑工業出版社, 1999.12

[2]解國珍.制冷技術.機械工業出版社,2008.06

book=0,ebook=206