地源熱泵技術應用問題研究

【摘 要】地源熱泵是以地熱作為熱泵裝置的熱源或熱匯來對建筑進行采暖或制冷的技術。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），即可實現低溫熱源向高溫熱源的熱量轉移。在冬季和夏季，分別將地熱能作為高溫熱源和低溫熱源，在冬季將地熱“取”出來用于采暖或熱水供應，在夏季將室內的熱量提取后釋放到地層中去。我國政府也在積極推廣運用這項“綠色技術”，以減少煤耗、節約一次能源和改善環境。

【關鍵詞】地源熱泵；地熱資源；暖通空調

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，它與傳統的空氣熱泵（ASHP）相比，具有很多優勢。

1.1直接式和間接式大地耦合熱泵

大地耦合熱泵根據其蒸發器端與大地換熱形式的不同，分為通過熱泵工質-水換熱器的間接式系統，及采用熱泵工質在埋于地下的盤管中直接膨脹的直接式系統。在間接式系統中，載冷劑或鹽水溶液被用來在熱源和蒸發器間傳遞熱量，它與直接蒸發系統相比具有一定優點：增加了熱泵系統的靈活性，同時可使現場工程量降到最低并減免了制冷管路的安裝；但其缺點在于：引入帶有熱交換器的額外流體環路，增加了初投資，也帶來額外溫降。需要針對運行工況優化設計鹽水回路，此外用于載冷劑的流體性質也很重要。在直接蒸發系統中，將蒸發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，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的地下盤管，這樣從地下抽熱比通常使用的間接式系統高。

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，并水平地敷設于土壤中。在這項技術中，管子的敷設深度和塑料管側間距是兩個重要參數。吸熱地面應靠近待采暖的建筑物，土壤面積主要取決于土質、含水量和該處的太陽照射時間。塑料管間距越小則熱利用效率越高，但熱交換管量增大、費用上升，因此應做技術經濟性考慮。土壤中鋪設的管群最好分幾組，單根管長最好不超過100m，否則消耗的泵功率將過大。熱泵工質一般采用鹽水溶液，即使在-15℃左右也不會凍結，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器，再通過熱泵過程，由冷凝器供給熱分配系統。此外，水平熱交換管還有回流式和串流式等不同的敷設方法，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，當然，究竟采用何種方式應視具體的土質和地形而定。

垂直熱交換管就是其導管垂直安裝在土壤中。導管由內外兩根管子組成。外管的下端封閉，內管敞開，直徑較小。在徑向間距相同的情況下插在外管中。導管深度可達100m，并隨地質、水文條件而變化。導管的材料除金屬外，也可采用聚乙烯塑料管。當借助垂直導管吸取熱量時，將載熱劑經內管由上送至下，然后經內管和外管間的空間，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。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問題

大地耦合熱泵是節能環保型暖通空調技術，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的基礎，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、占地規模大小以及該地區適于何種地下埋管形式，最終決定該地區是否適合采用大地耦合熱泵。因此，針對不同地區的土壤環境條件，應采用不同的埋管深度和布置形式，這樣能產生不同的埋管傳熱效果。因此，如何進一步強化地下盤管的傳熱過程、探討和開發新型換熱器的結構形式，以及土壤特性對埋管換熱的影響機理和計算機輔助模擬試驗、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。這種熱泵是以地下深井水作為熱源或熱匯來對建筑進行供熱或制冷的。由于地下深井水位于較深的地層中，因隔熱和蓄熱作用，其水溫隨季節氣溫的變化較小，特別是深井水的水溫常年不變，對熱泵運行非常有利，具有以下優點：（1）整個水井系統占地面積小，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基本上是個定數，而對大型地下水熱泵系統，其整個井水系統單位容量的價錢卻便宜得多，只需要一對較高流量的井即可滿足整幢建筑物的需求。（3）與傳統的空氣-水中央HVAC系統相比，設計良好的地下水熱泵循環幾乎無需維護費，且當地下水回灌到蓄水層后，實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系統中使用已有數十年了，鉆井施工相對容易。

地下水熱泵這項技術也存在不足之處：（1）當采用含水層畜存的水作為空調冷源或熱源時，其水溫要受到一定限制。（2）若鉆井施工不佳或水質較差，則地下水可能會受到一定污染，而且回灌井的選址也應考慮水文地質條件。（3）若熱泵裝置系統設計不當或取水位置較深，那么泵的消耗費用將上升。因此，在決定某地區是否采用地下水作為熱泵的冷熱源之前，首先應進行嚴密的現場泵水試驗，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情況，以獲得較準確詳盡的規劃方案。

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行空調的熱泵技術。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冬季節，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生裝置，即雙聯熱泵采暖系統。地表水熱泵在實現用水作熱源時，可采用下列方法。（1）將蒸發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器。這種方法裝置簡單，價格低廉，但缺點是：當地表水位發生變化時蒸發器板難于固定，蒸發器表面也需經常清理。此外，若蒸發器泄漏部位有制冷劑流出，則會損壞熱泵。（2）經鹽水循環間接引用水的熱能。此系統同樣是在地表水中安裝板式熱交換器，但流經蒸發器的不是制冷劑，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，當鹽水將熱量傳給熱泵后，溫度下降后再繼續吸收地表水的熱量。對于鹽水溶液至少應保持其在-10℃時仍能流動。整臺熱泵連同蒸發器組成一個單元，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泵輸送，還需在回路中設置膨脹箱。整個方案應保證地表水有足夠的熱勢、載熱劑系統有相應的容量。這種系統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器。這種系統適用于對露天游泳池的水進行加熱，也適用于大型建筑物、特別是該建筑物采用空調時。該系統使用可清洗的管式熱交換器作為蒸發器，首先要將地表水經細密格柵引入泵站，降溫后的地表水需重新排回地表水源。嚴冬季節時，此系統需采用雙聯熱泵采暖裝置。（4）用井積聚經河岸過濾的水并將其輸送至熱泵蒸發器。這種系統的優點是經河岸過濾的水能防止污物進入蒸發器，但費用較高。

【參考文獻】

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