暖通空調(diào)中的地源熱泵技術(shù)探析

【摘要】本文首先概述了地源熱泵技術(shù)，然后介紹了地源熱泵的原理及社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，最后分析了其形式及優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其與常規(guī)空調(diào)的技術(shù)特點(diǎn)、投資和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了比較，并對(duì)如何充分運(yùn)用地源熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)的節(jié)能提出了具有可操作的建議。

【關(guān)鍵詞】地源熱泵；暖通空調(diào)；冷熱源；綠色技術(shù)

一、地源熱泵的分類及工作原理分析

1、地源熱泵的概念。地源熱泵系統(tǒng)是利用地下的巖土作為穩(wěn)定的蓄熱體，將地下淺層的熱資源（也稱熱能），通過少量的高位能源（如電能），將低溫位能向高溫位能轉(zhuǎn)移，以實(shí)現(xiàn)冬季取熱儲(chǔ)冷，夏季取冷儲(chǔ)熱的高效節(jié)能系統(tǒng)，是目前效率高、對(duì)環(huán)境最有利的熱水、取暖和制冷系統(tǒng)之一，屬于經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益顯著的社會(huì)公益技術(shù)，被稱為二十一世紀(jì)的“綠色空調(diào)技術(shù)”。

2、地源熱泵的分類。根據(jù)地?zé)嵩吹姆N類和方式不同，地源熱泵可分為以下三類：一是土壤源熱泵。土壤源熱源（也叫大地耦合式熱泵）以大地作為熱源，熱泵的換熱器埋于地下，與大地進(jìn)行冷熱交換。土壤源熱泵系統(tǒng)主機(jī)通常采用水—水或熱泵機(jī)組或水—?dú)鉄岜脵C(jī)組。根據(jù)地下熱交換器的布置形式，主要分為垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三類。二是地下水熱泵系統(tǒng)。地下水熱泵系統(tǒng)，是一種以水體為低位熱源，利用地下水式水源熱泵機(jī)組為空調(diào)系統(tǒng)制備與提供冷/熱水，再通過空調(diào)末端設(shè)備實(shí)現(xiàn)房間空氣調(diào)節(jié)的系統(tǒng)形式。三是地表水熱泵系統(tǒng)。地表水熱泵系統(tǒng)主要有開路和閉路系統(tǒng)。地表水熱泵系統(tǒng)具有相對(duì)造價(jià)低廉、泵耗能低、維修率低以及運(yùn)行費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)。在寒冷地區(qū)，開路系統(tǒng)并不適用，只能采用閉路系統(tǒng)。但是，在公共用的河水中，管道或水中的其他設(shè)備容易受到損害。另外，如果湖泊過小或過淺，湖泊的溫度會(huì)隨著室外氣候發(fā)生較大的變化，這就會(huì)產(chǎn)生效率降低，制冷或供熱能力降低的后果。

3、地源熱泵的工作原理。地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)主要分三部分：室外地能換熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組和室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)。工作原理就是在地下埋設(shè)管道作為換熱器，管道與熱泵機(jī)組連接形成閉式環(huán)路，管道中有液體流動(dòng)通過循環(huán)將熱泵機(jī)組的凝結(jié)熱通過管道散入地下（供冷工況），或從大地吸取熱量供給熱泵機(jī)組向建筑物供熱（供熱工況）。其中水源熱泵機(jī)主要有兩種形式：水—水式或水—空氣式。三個(gè)系統(tǒng)之間靠水或空氣換熱介質(zhì)進(jìn)行熱量的傳遞，水源熱泵與地能之間換熱介質(zhì)為水，與建筑物空調(diào)末端換熱介質(zhì)可以是水或空氣，系統(tǒng)的關(guān)鍵是大地?fù)Q熱器的設(shè)計(jì)和施工。

二、地源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)分析

1、地源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)。一是節(jié)省建筑空間、便于運(yùn)行管理地源熱泵沒有冷卻塔和其它室外設(shè)備，省去了鍋爐房、冷卻塔及附屬的煤場(chǎng)、渣場(chǎng)所占用的寶貴面積，節(jié)省了空間和地皮，產(chǎn)生附加經(jīng)濟(jì)效益，并改善了環(huán)境外部形象。熱泵機(jī)組質(zhì)量可靠，沒有大型的集中機(jī)組，無需專人值守，大大減少維修、維護(hù)費(fèi)用，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組獨(dú)立計(jì)費(fèi)，分戶計(jì)量，方便業(yè)主對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的管理。二是綠色、環(huán)保、無污染。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在冬季供暖時(shí)，不需要鍋爐，無燃燒產(chǎn)物排放，可大幅度降低溫室氣體的排放，既保護(hù)了環(huán)境，又可遵守《全球氣候公約》。在夏季制冷時(shí)也是將熱量轉(zhuǎn)移到地下，沒有任何氣體排放到大氣中，如果得到廣泛應(yīng)用將可以大大降低溫室效應(yīng)，減緩全球變暖的進(jìn)程。三是低運(yùn)行費(fèi)用。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的高效節(jié)能特點(diǎn)，決定了它的低運(yùn)行費(fèi)用。其維修量極少，使用壽命和建筑物同期，折舊費(fèi)和維修費(fèi)也都大大低于傳統(tǒng)空調(diào)。由于自動(dòng)化程度高，無需專業(yè)人員操控。一般來說，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的供暖和制冷費(fèi)用只相當(dāng)于普通空調(diào)系統(tǒng)供暖和制冷費(fèi)用的30—70%。四是應(yīng)用靈活、安全可靠、用途廣泛。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)靈活性強(qiáng)，—套地源熱泵系統(tǒng)可以替換原有的供熱鍋爐、制冷空調(diào)和生活熱水加熱的三套裝置或系統(tǒng)。可用于新建工程或擴(kuò)建、改建工程，可逐步分期施工。熱泵機(jī)組可靈活地安置在任何地方，節(jié)約空間。同時(shí)，地源熱泵無儲(chǔ)煤、儲(chǔ)油罐等衛(wèi)生及安全隱患。因此，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)從嚴(yán)寒地區(qū)至熱帶地區(qū)均適用，可為辦公樓、賓館、醫(yī)院、飯店、商店、超市、幼兒園、別墅、居民小區(qū)等各類建筑物提供冷暖兩用空調(diào)系統(tǒng)，并可同時(shí)提供生活熱水。

2、地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。一是地源熱泵的社會(huì)效益。我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)主要依靠礦物燃料，特別是煤炭。礦物燃料燃燒后產(chǎn)生的大量污染物，是造成溫室效益的主要原因。采取地源熱泵能夠有效減少常規(guī)供熱和空調(diào)對(duì)大氣的污染，是一項(xiàng)利國(guó)利民的綠色工程。二是地源熱泵的經(jīng)濟(jì)效益。地源熱泵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的供熱和制冷，還可供生活熱水，一機(jī)多用。一套系統(tǒng)可以代替原來的鍋爐加制冷機(jī)的兩套裝置或系統(tǒng)。系統(tǒng)緊湊，省去了鍋爐房和冷卻塔，節(jié)省建筑空間，也有利于建筑的美觀。根據(jù)以往項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，由于地源熱泵運(yùn)行費(fèi)用低，增加的初投資可在5～10（年限有待考證）年內(nèi)收回，地源熱泵系統(tǒng)在整個(gè)服務(wù)周期內(nèi)的平均費(fèi)用將低于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)。同時(shí)，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性取決于多種因素。不同地區(qū)，不同地質(zhì)條件，不同能源結(jié)構(gòu)及價(jià)格等都將直接影響到其經(jīng)濟(jì)性。

三、地源熱泵在暖通空調(diào)應(yīng)用中的問題分析

地源熱泵也并非十全十美，主要存在以下不足：初投資比較高，主要是鉆孔費(fèi)和地下埋管材料費(fèi)較高，約占總投資一半以上，同時(shí)需要占用一定的地下面積；安裝工藝要求較高，施工工期較長(zhǎng)，如果設(shè)計(jì)和安裝不合理，將難以充分體現(xiàn)其優(yōu)越性，收不到應(yīng)有的節(jié)能效果；易受到不同地區(qū)、不同用戶及國(guó)家能源政策、燃料價(jià)格的影響；冬夏季排取總熱量存在不平衡性，使得土壤年吸、釋熱量不平衡，連續(xù)多年運(yùn)行后易造成熱泵機(jī)組運(yùn)行效率下降；采用地下水的利用方式，會(huì)受到當(dāng)?shù)氐叵滤Y源的制約，易導(dǎo)致地下水氧化，產(chǎn)生一系列的水文地質(zhì)化學(xué)變化、生物變化等問題。

四、地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題分析

1、地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的確定用地源熱泵中央空調(diào)方式是好的選擇，但是必須對(duì)建筑物的功能、環(huán)境和土質(zhì)水文作清楚的了解，作詳細(xì)的調(diào)研后，方可確定此方案。

2、建筑物系統(tǒng)勘查：在決定地源熱泵系統(tǒng)的形式之前，應(yīng)對(duì)工程施工現(xiàn)場(chǎng)情況資料進(jìn)行準(zhǔn)確的掌握，這就是現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)。一是仔細(xì)閱讀計(jì)劃建筑的建筑物設(shè)計(jì)文件。了解對(duì)在施工期間，所有當(dāng)?shù)匾?guī)章制度、政策性條例、地區(qū)性法規(guī)，以減少施工干擾。二是確定建筑物業(yè)主擁有的地表使用面積大小和地形，建筑物所在的方位、結(jié)構(gòu)、路邊附屬設(shè)備、地下公用設(shè)施、市政管道位置以及地下廢棄的設(shè)施，盡量避免因潛在因素造成不必要的損失和影響施工。三是水文地質(zhì)的勘查，包括松散土層的厚度、密度、砂型、含水量、巖床的深度、巖床的結(jié)構(gòu)。對(duì)于土壤源熱泵管地?zé)峤粨Q器，挖一個(gè)3～5m的深坑就能實(shí)現(xiàn)，對(duì)靠近地表處土質(zhì)狀況是否有巨石存在作一定了解。而對(duì)于垂直式地?zé)峤粨Q器，就需要鉆勘探孔，并按有關(guān)規(guī)定格式做好記錄。

五、結(jié)語

開源節(jié)流，尤其是開發(fā)各種可再生新能源將是我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。我國(guó)地域?qū)拸V，蘊(yùn)藏著豐富的地表淺層地能資源，因地制宜地采取不同形式的地源熱泵技術(shù)可以有效地提高低溫地?zé)豳Y源，同時(shí)克服傳統(tǒng)暖通空調(diào)技術(shù)的局限和不足，是非常有意和具有實(shí)際價(jià)值的，在節(jié)約能源、防治環(huán)境污染和城市現(xiàn)代化方面有著較大的意義。