淺談地源熱泵技術及其應用

梁德婧 曹海霞

(蘇州大學物理科學與技術學院,江蘇 蘇州 215006)

隨著全球氣候問題的日趨嚴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型發展路線,加快開發可再生能源．地熱就是其中一種極具優勢的可再生清潔能源．在我國,對于地熱的開發利用,尤其是利用地熱供暖、制冷的地源熱泵已經形成了一個快速發展的新型的產業．目前地源熱泵技術已在房地產業有了很好的應用．

地熱是來自地球內部的一種能量資源,即地球內熱．它來源于地球的熔融巖漿和放射性物質的衰變,還有極少部分能量來自于太陽．地熱資源(又稱為地能)是指地球內熱中,以現有的經濟技術水平可以被人類開發利用的部分,包括地下水、土壤或地表水等．按照空間和賦存狀態,地熱資源可分為:淺層地熱資源、水熱型地熱資源、干熱巖地熱資源．[1]本文簡單介紹利用地熱資源制冷、供暖、提供熱水的高效節能空調技術——地源熱泵技術．

1 地源熱泵的發展歷史

國外的學者和企業對于地源熱泵的技術進行了較早的研究,其發展歷史大致可分為3個階段: (1) 提出階段．早在1912年,瑞士人Zoelly就在一項專利中提出了地源熱泵的相關技術的設想,二戰結束后相關研究開始興起,但由于當時化石能源價格低廉、儲量豐富,因此沒過多久這項研究就被擱置了．(2) 發展階段．1973年“能源危機”出現,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,在政府的支持下,經過一系列試驗和計算機模擬,形成一套完備的理論基礎,但由于當時技術受限,地源熱泵并未大范圍推廣使用．(3) 高速發展階段．20世紀末,地源熱泵技術設備趨于完善,歐美國家開始大力推廣地源熱泵的應用．

我國對于地源熱泵的研究起步較晚,基本可分為3個階段: (1) 起步階段(20世紀80年代—21世紀初)．地源熱泵概念開始是引起暖通空調技術界人士關注,之后相關的設計人員、施工人員、集成商、產品生產商等也逐漸被這個概念所吸引,但相關技術并不完善,并沒有被市場接受．(2) 推廣階段(21世紀初—2004年)．地源熱泵應用逐漸廣泛,相關科學研究也活躍起來,但因缺少技術支持、初期投資較高等,導致推廣發展緩慢．(3) 快速發展階段(2005年—至今)．隨著國家對節能減排的重視以及技術設備逐漸成熟,地源熱泵技術進入快速發展階段．[2]

2 地源熱泵的分類

(1) 傳統地源熱泵系統．

國際上根據地熱能交換系統形式的不同,通常將地源熱泵系統劃分為以下3種.

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

② 地下水源熱泵系統．地下水源熱泵系統的熱源是地下水．地下水水溫波動較小,因為水的比熱容高,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．但地下水完全回灌能力差,維護量很大,并且潛水泵的耗能很高．

③ 地表水源熱泵系統．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、流速較高且水流穩定的地區．但這種熱泵的區域性限制較大,易受水文環境影響,溫度波動也很大,換熱設備易結板,導致壽命較短．[3]

(2) 復合式地源熱泵系統．

由于傳統地源熱泵系統的諸多局限性,無法滿足當前市場需求,因此復合式地源熱泵系統得到了快速發展．復合式地源熱泵系統作為新形式,具有多熱源協同互補、蓄能調峰等特點,更加節能環保,經濟社會效益更加顯著．目前復合式地源熱泵系統主要有以下兩類.

① 地源熱泵—太陽能復合系統．地源熱泵—太陽能復合系統由地源熱泵機組、地埋管系統、太陽能集熱系統、末端系統4部分組成,其能量來源主要是太陽能和淺層地熱能(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需要的電能,與地源熱泵系統結合節能效果優越．但地源熱泵系統本身造價較高,太陽能集熱器的造價也比較高,因此導致該復合系統初期投資較高,應用較少．

圖1 地源熱泵—太陽能復合系統示意圖

② 冷卻塔輔助冷卻地源熱泵系統．輔助冷卻地源熱泵系統是利用冷卻塔作為系統的輔助冷源,由熱泵機組、冷卻塔、地埋管系統、末端系統組成(圖2)．當冷負荷大于熱負荷,且超過20%時,可采用此復合地源熱泵,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荷確定,夏季超出部分的冷負荷由冷卻塔提供．在夏季利用冷卻塔與地埋管換熱器聯合運行,可以減少對地下土壤的影響、加速土壤溫度的恢復,實現冷卻塔與地埋管都能高效運行．[4]

圖2 冷卻塔輔助冷卻地源熱泵系統示意圖

3 地源熱泵的工作原理

(1) 制冷機的工作原理．

圖3 制冷機的工作原理

(2) 地源熱泵的工作原理．

地源熱泵的工作原理與制冷機類似,它是利用淺層地熱資源的既可供熱又可制冷的高效節能空調設備． 通過輸入少量的高品位能源(如電能),實現從低位熱源吸收熱量并與高位熱源發生熱交換,從而達到制冷或供暖的效果．目前使用較廣泛和應用前景較好的地源熱泵主要是地埋管地源熱泵系統,它主要是由室內空調末端系統、熱泵機組以及埋置于地下的地埋管換熱系統組成．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,因此可利用地源熱泵系統通過地埋管內循環流體與巖土層的熱量交換,實現制冷、供暖．在夏季制冷時,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取出的熱量釋放到土壤中,再通過土壤的導熱和土壤中水分的遷移把熱量擴散出去,達到室內降溫的效果．而在冬季供熱時,地能作為熱泵供熱的高溫熱源,地源熱泵系統利用地埋管獲取地下熱量為室內供熱．[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．

地源熱泵系統中最重要的部分就是地埋管換熱系統,它直接影響到整個地源熱泵系統的性能優劣．目前地埋管采用的材料主要是耐腐蝕的高密度聚乙烯管．采用的循環流體主要是水,也可添加其他特殊介質,如在特別寒冷的地區可以添加適量防凍液以防止循環流體凍結．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劃設計中很少使用,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型埋管應用最為廣泛(如圖1、圖2所示),規范埋管深度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,當達到一定深度后,溫度趨于恒定．但是由于費用的隨之提高、不同地區土壤熱物性差異、建筑物的需求等原因,具體埋管深度還要做具體考察．以蘇州某地產項目為例,該項目總建筑面積約為9.4×104m2,最大建筑高度57 m．全項目生活熱水集中由地源熱泵熱水系統提供,此工程采用鉆孔垂直埋管,單U連接,共設計鉆孔150個,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,從淺層常溫的地壤中獲取或者散發的能量,供室內的采暖或制冷,能量通過一套低耗機組傳輸,以保證室內常年保持在人體舒適的溫度和濕度．

4 地源熱泵技術的應用及存在問題

地源熱泵系統和毛細管頂棚輻射空調系統,是屬于近年來運用到住宅中的一項新型節能科技,是高舒適度、低能耗的空調系統．毛細管系統概念和產品皆源自德國,發明人為德國貝卡公司的負責人,于1986年首次投入實際工程中,之后陸續用于歐洲眾多高端商業建筑、政府大樓、別墅和醫療建筑中．科技住宅在房屋建造時,在混凝土樓板層中直接鋪設盤管,以地源熱泵充當冷熱源,為毛細水管中的水進行降溫或者加熱,從而對室內的溫度、濕度進行智能化的調控．毛細水管均勻分布,覆蓋到每個房間,沒有噪音、沒有明顯的吹風感．

地源熱泵技術作為一種利用地熱能的環保、節能空調技術,在近幾年取得了快速發展,但目前的地源熱泵技術理論及技術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用．另外,要達到良好的使用效果,建筑物的輔助部分,如新風系統、圍護結構等的投入也比較大．(2) 從設計到施工的要求都比較高,并且后期維護的難度相對較大．(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,由于項目規模擴大,需要在有限的空間增大地埋孔數量,地埋管管群內換熱器之間的熱干擾直接影響系統的運行,使得系統可能無法滿足建筑的供熱需要,同時如果抽取和排放的熱量長時間不對等,將會造成土壤溫度嚴重失衡,長此以往系統不但不能達到節能的效果,運行費用還會提高,[3]土壤環境也會受到一定影響．

5 我國地熱產業的發展趨勢

隨著國家“環境友好型、資源節約型”可持續發展道路的提出,未來我國地源熱泵的發展趨勢有以下幾點: (1) 各種新型的地源熱泵系統將會不斷被開發并使用; (2) 土壤源、地表水源熱泵的數量會增加,而相應的地下水源熱泵數量會減少; (3) 地源熱泵與蓄能系統相結合,針對系統配置、運行策略等進行研究,提高系統性能、降低裝機容量、降低投資及運行費用．

工業發展依賴于能源的消耗,隨著發展逐漸加快,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,可再生能源的開發利用越來越受到關注．地源熱泵系統在利用可再生能源方面有著巨大的優勢,對建筑物節能減排起著重要的作用．雖然對于地源熱泵系統的理論研究和技術開發還存在著不少的問題,但隨著理論的深入研究和技術的不斷完善以及國家政策的支持鼓勵,地源熱泵的研究應用將會越來越廣泛．