淺層地源熱泵技術(shù)在空調(diào)工程中的應(yīng)用研究

鄭全新 ，常 艷

（1.荊楚理工學(xué)院，湖北荊門 448000；2.湖北省漳河工程管理局，湖北荊門 448000）

地源熱泵空調(diào)技術(shù)是一種利用可再生能源，實(shí)現(xiàn)供暖或制冷的新技術(shù)，在目前環(huán)境治理，節(jié)能降耗，發(fā)展新型清潔能源形勢下，具有廣闊發(fā)展空間。其研究對象是指利用地下水、河流和湖泊等地球表面淺層水源或土壤中的熱能，將熱泵技術(shù)與空調(diào)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)冬季供熱夏季制冷。

1 淺層地源熱泵技術(shù)在空調(diào)工程中應(yīng)用原理

常用的空調(diào)是以室外空氣作為室內(nèi)與室外熱交換的謀介，屬于空氣源熱泵空調(diào)。一般來說26℃左右為讓人感覺較為舒適的溫度，由于空氣溫度波動較大，冬季遠(yuǎn)低于人體的舒適溫度，有的地區(qū)氣溫低達(dá)-20℃，甚至更底，夏季又遠(yuǎn)高于人體的舒適溫度，有的地區(qū)氣溫高達(dá)+40℃，甚至更高。為獲取人體的舒適空氣溫度，常用熱泵促使室內(nèi)空氣與室外空氣進(jìn)行熱交換，把室內(nèi)空氣加工成適宜人類生存的舒適溫度，此為空氣源熱泵空調(diào)的原理。淺層地源熱泵空調(diào)則是利用熱泵，促使室內(nèi)空氣與地下水、水庫、湖泊等地球表面淺層水源或土壤進(jìn)行熱交換，把室內(nèi)空氣加工成適宜人類生存的舒適溫度。

2 淺層地源熱泵技術(shù)在空調(diào)工程中應(yīng)用的特點(diǎn)

2.1 能源可再生

地表淺層土壤和水體是巨大的太陽能收集器，每年接收的太陽能是人類利用能量的500多倍，而且能保持能量的接受與發(fā)散相對平衡，是一個巨大的能量動態(tài)平衡系統(tǒng)；同時，地表淺層收集的太陽能可被無限循環(huán)使用，是一種真正意義上的可再生能源；再者，氣候因素對地層淺表太陽能收集影響與深層的地?zé)嵯啾龋畲髢?yōu)勢就是不受地質(zhì)結(jié)構(gòu)和資源條件影響。淺層地源熱泵利用地球吸收的太陽能作為溫度源，與室內(nèi)空氣進(jìn)行能量交換，是一種利用清潔可再生能源技術(shù)，使得利用儲存于地表面淺層土壤和水體中的巨量太陽能或地?zé)崮転槿祟惙?wù)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

2.2 節(jié)能高效

一方面，地球是最大的太陽能載體，地表6米以下的地下水或土壤的溫度常年保持在16-18℃，幾乎不受氣溫的影響。根據(jù)能量不滅定律，無論是冬季制熱還是夏季制冷，采用空調(diào)技術(shù)將16-18℃物體的溫度轉(zhuǎn)換成26℃左右的溫度，要比將-20℃或+40℃物體的溫度轉(zhuǎn)換成26℃左右的溫度容易得多，節(jié)能得多。評價空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性，最直接的方法是比較空調(diào)機(jī)源側(cè)的輸人載體的溫度和輸出載體的溫度差，溫差越小空調(diào)系統(tǒng)就越節(jié)能。以室內(nèi)溫度設(shè)定值26℃為例，比較空氣源熱泵空調(diào)和地源熱泵空調(diào)的節(jié)能性能，只需比較輸入載體的溫度差即可，溫差每降低1℃，節(jié)能效率約提高3%。如果空氣源熱泵空調(diào)輸入載體溫度為35℃，地源熱泵空調(diào)輸入載體溫度為18℃，前后相差 17℃，如此計算，應(yīng)用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)比應(yīng)用空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能約51%。

另一方面，土壤淺層溫度比較穩(wěn)定，受季節(jié)更替變化不會太大，熱泵的動載荷波動不大，運(yùn)行比較穩(wěn)定，使用壽命長達(dá)到20左右，不僅滿足節(jié)能要求，同時經(jīng)濟(jì)效益也較為理想。在冬季，土壤淺層以及地下水溫度在16～18℃，江河、水庫、湖泊等容量較大的地表水，溫度也在6～14℃之間，比空氣溫度要高出很多，地源熱泵與空氣源熱泵相比，能效比明顯提升，壓縮比明顯降級低，最多可以節(jié)約一半能耗。在夏季，土壤表層與地下水溫度在18～20℃，江河、水庫、湖泊等容量較大的地表水，溫度也在22～26℃，比空氣溫度要低很多，采用地源熱泵空調(diào)比一般制冷空調(diào)冷凝壓力大大降低，可以節(jié)約一半電能以上。

具統(tǒng)計，將淺層地源熱泵技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)工程中，消耗1KW的電能，制熱量可達(dá)到4KW以上，制冷量可達(dá)到5KW以上。應(yīng)用地源熱泵空調(diào)，不會污染水體，不需要鍋爐、冷卻塔和堆放燃料廢物的場地，清潔節(jié)能效果顯著，比空氣源熱泵空調(diào)節(jié)能40%以上，比電熱供暖節(jié)能70%左右，比燃?xì)忮仩t的效率高50%左右，比燃油爐的效率高75%左右。

2.3 適用范圍廣

淺層地源熱泵空調(diào)適應(yīng)用于酒店、賓館、小區(qū)、公寓、生產(chǎn)車間、商場、會堂、圖書館等需要大面積提供冷氣或暖氣的場所。制冷的同時還可提供生活用熱水，一機(jī)多用。對于有同時供暖和供冷需求的建筑物，應(yīng)用淺層地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)勢尤為明顯。例如，冬天使用該空調(diào)系統(tǒng)供暖時，系統(tǒng)中的循環(huán)水可以將冷能儲存到地表淺層的土壤或地下水中，被儲存的冷能又可在夏季需供冷時使用，如此循環(huán)利用能源，不僅可大大降低運(yùn)行費(fèi)用，還減少了系統(tǒng)建設(shè)投資。

2.4 運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低

淺層地源熱泵空調(diào)相較空氣源熱泵空調(diào)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用要低得多。一方面是因?yàn)橄鄬諝庠礋岜每照{(diào)，地源熱泵空調(diào)機(jī)械運(yùn)動部件較少；另一方面是因?yàn)榈卦礋岜每照{(diào)所有部件不是埋在地下便是安裝在室內(nèi)，能有效避免惡劣環(huán)境影響，地下部分使用壽命長達(dá)50年，地上部分使用壽命也可達(dá)30年，幾乎是一種免維護(hù)系統(tǒng)；再者，使用地源熱泵空調(diào)與使用空氣源熱泵空相比，可以大大節(jié)省電能。具統(tǒng)計，用戶安裝使用淺層地源熱泵空調(diào)，5年節(jié)省的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用即相當(dāng)于投資成本。

3 淺層地源熱泵空調(diào)技術(shù)創(chuàng)新研究

3.1 水源熱交換系統(tǒng)應(yīng)用研究

水源換熱系統(tǒng)分為地下水換熱系統(tǒng)和地表水換熱系統(tǒng)，適切地應(yīng)用水源熱換熱系統(tǒng)，能夠大幅提升淺層地源熱泵空調(diào)的運(yùn)行效率。不管是利用地下水還是利用地表水，均應(yīng)優(yōu)化水源換熱系統(tǒng)設(shè)計。一方面是分析當(dāng)?shù)氐乃礌顩r，了解其特點(diǎn)及使用的基本要求，準(zhǔn)確檢測各季節(jié)不同深度水源的溫度，把握其應(yīng)用效果，確保其在淺層地源熱泵空調(diào)中充分發(fā)揮“源”的作用；另一方面是水源的高效利用問題，內(nèi)陸地區(qū)盡量應(yīng)用等量回灌的方式，對于沿海地區(qū)，海水熱“源”豐富，可將海水應(yīng)用于換熱系統(tǒng)。

3.2 土壤換熱系統(tǒng)應(yīng)用研究

如何以土壤作為熱交換介質(zhì)，需要深入地研究。土壤換熱系統(tǒng)應(yīng)用的主要技術(shù)措施，是采用埋設(shè)管式換熱器，做好埋設(shè)管式換熱器施工設(shè)計，成為土壤換熱系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。研究的重點(diǎn)是管式換熱器的敷設(shè)方式與敷設(shè)位置，提升敷設(shè)的可靠性與合理性。應(yīng)充分考慮應(yīng)用區(qū)域的巖土條件及其對地埋的管換熱器可能產(chǎn)生的影響，確保管式換熱器能最大限度地發(fā)揮其換熱效果，從而提高空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。通常，為了提高土壤換熱系統(tǒng)的熱傳替效率，可以增設(shè)輔助性熱源裝置，提升地源熱泵空調(diào)的應(yīng)用價值。

3.3 末端系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

對地源熱泵空調(diào)末端系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的目的是擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。優(yōu)化設(shè)計的方向，主要考慮采用“風(fēng)機(jī)盤管供冷+地板輻射供暖”方式，彌補(bǔ)以往中央空調(diào)末端系統(tǒng)應(yīng)用的缺陷，提高地源熱泵空調(diào)的應(yīng)用適應(yīng)性和價值。

4 結(jié)束語

空調(diào)作為電力能源消耗的大戶，如果將地源熱泵技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)工程，從節(jié)能減排和開發(fā)利用可再生能源等方面具有重要意義。隨科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，地源熱泵空調(diào)必然會取代傳統(tǒng)的空調(diào)設(shè)備，成為利用清潔、高效、可再生能源的高新技術(shù)設(shè)備。