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    • 淺析地源熱泵技術的應用前景
    •   來源:暖通服務聯盟
    • 2016-02-17
     關鍵詞:熱泵 地源熱泵 發展障礙
     
    一、概述
     
    隨著全球性能源危機的加劇和環境的惡化,節能和環保成為世界各國發展的主題??稍偕茉吹睦门c開發受到了廣泛的重視。同時由于經濟的發展和人民生活水平的提高,公共建筑和住宅的供熱和空調已成為普遍的需求。統計數據表明,中國建筑能耗的總量逐年上升,在能源消費總量中所占的比例已從上世紀70年代末的10%,上升到近年的27.8%。而建筑最大的耗能點是采暖和空調,我國在采暖和空調上的能耗占建筑總能耗的55%。我國的能源結構主要依靠礦物燃料,特別是煤炭。礦物燃料燃燒產生的大量污染物,包括大量SO2,NOX等有害氣體以及CO2等溫室效應氣體。大量燃燒礦物燃料所產生的環境問題已日益成為各國政府和公眾關注的焦點。我國的供熱已經經歷了一家一戶的小煤爐到燃煤鍋爐的轉變?,F在又進一步禁止在城鎮建設中小型燃煤鍋爐房,體現了政府對保護大氣環境的高度重視。因此,除了集中供熱的型式以外,急需發展其他的替代供熱方式。熱泵就是能有效節省能源、減少大氣污染和CO2排放的供熱和空調技術。
     
    二、地源熱泵技術介紹
     
    2.1熱泵的定義及原理
     
    在我國《采暖通風與空氣調節術語標準》(GB50155-92)中,對“熱泵”的解釋是“能實現蒸發器和冷凝器功能轉換的制冷機”;在《新國際制冷詞典(NewInternationalDictionaryofRefrigeration)》中,對“熱泵”的解釋是“以冷凝器放出的熱量來供熱的制冷系統”??梢?,熱泵在本質上是與制冷機相同的,熱泵(制冷機)是通過作功使熱量從溫度低的介質流向溫度高的介質的裝置,它們的區別只是運行工況不同。其工作原理是:由電能驅動壓縮機,使工質(如R22)循環運動反復發生物理相變過程,分別在蒸發器中氣化吸熱、在冷凝器中液化放熱,使熱量不斷得到交換傳遞,并通過閥門切換使機組實現制熱(或制冷)功能。在此過程中,熱泵的壓縮機需要一定量的高位電能驅動,其蒸發器吸收的是低位熱能,但熱泵輸出的熱量是可利用的高位熱能,在數量上是其所消耗的高位熱能和所吸收低位熱能的總和。熱泵輸出功率與輸入功率之比稱為熱泵性能系數,即COP值(CoefficientofPerformance)。
     
    2.2地(水)源熱泵機組的工作原理
     
    是利用水與地能(地下水、土壤或地表水)進行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源,冬季把地能中的熱量“取”出來,供給室內采暖,此時地能為“熱源”;夏季把室內熱量取出來,釋放到地下水、土壤或地表水中,此時地能為“冷源”。具有高效節能、經濟環保、安全可靠、可自動運行等優點。
     


    圖1地源(地埋管)熱泵工作原理圖
     
    2.3地源熱泵與空氣源熱泵比較
     
    空氣源熱泵以室外空氣為一個熱源。在供熱工況下將室外空氣作為低溫熱源,從室外空氣中吸收熱量,經熱泵提高溫度送入室內供暖;其性能系數(COP)一般在2~3??諝庠礋岜孟到y簡單,初投資較低??諝庠矗L冷)熱泵目前的產品主要是家用熱泵空調器、商用單元式熱泵空調機組和風冷熱泵冷熱水機組。
     
    空氣源熱泵的主要缺點是在夏季高溫制冷和冬季寒冷天氣制熱時效率大大降低。此外,其所必需的室外機或冷卻塔對建筑物有一定的影響??諝庠礋岜玫闹茻崃侩S室外空氣溫度降低而減少,這與建筑熱負荷需求趨勢正好相反。因此當室外空氣溫度低于熱泵工作的平衡點溫度時,需要用電或其他輔助熱源對空氣進行加熱。而且,在供熱工況下空氣源熱泵的蒸發器上會結霜,需要定期除霜,這也消耗大量的能量。在寒冷地區和高濕度地區熱泵蒸發器的結霜可成為較大的技術障礙。在夏季高溫天氣,由于其制冷量隨室外空氣溫度升高而降低,同樣可能導致系統不能正常工作??諝庠礋岜貌贿m用于寒冷地區,在冬季氣候較溫和的地區,如我國長江中下游地區,已得到相當廣泛的應用。

    三、地源熱泵系統的分類及其優缺點
     
    3.1地下水源熱泵系統(Groundwaterheatpumps,GWHPs),
     
    地下水源熱泵系統也就是通常所說的深井回灌式水源熱泵系統,通過建造抽水井群將地下水抽出,通過二次換熱或直接送至水源熱泵機組,經提取熱量或釋放熱量后,由回灌井群灌回地下。
     
    其最大優點是非常經濟,占地面積小,但要注意打井區域必須符合下列條件:1.水質良好;2.水量豐富;3.回灌可靠;4.符合標準。
     


    圖2地下水源熱泵系統示意圖
     
    3.2地下耦合熱泵系統(Ground-coupleheatpumps,GCHPs)。
     
    地下耦合熱泵系統也稱埋管式土壤源熱泵系統,還有另外一個術語叫Groundheatexchanger,即地下熱交換器地源熱泵系統。這一閉式系統方式,通過中間介質(通常為水或者是加入防凍劑的水)作為熱載體,使中間介質在埋于土壤內部的封閉環路中循環流動,從而實現與大地土壤進行熱交換的目的。
     
    3.2.1水平埋管地源熱泵系統(Horizontalground-coupledheatpump)
     
    對于水平式埋管系統,其優點有:安裝費用比垂直式埋管系統低,應用廣泛,使用者易于掌握,其缺點有:占地面積大,受地面溫度影響大,水泵耗電量大。
     


    圖3.1串聯式水平埋管示意圖
     


    圖3.2并聯式水平埋管示意圖
     
    3.2.2垂直埋管地源熱泵系統(Verticalboreholeground-coupledheatpump)
     
    對于垂直式埋管系統,其優點有:較小的土地占用,管路及水泵用電少;其缺點是鉆井費用較高;
     
    垂直埋管地源熱泵系統有一種特殊形式叫:樁基換熱器(或叫做能量樁,EnergyPiles),即在樁基里布設換熱管道。
     
     
    圖3.3垂直埋管示意圖
     
    3.3螺旋埋管地源熱泵系統(slinkyground-coupledheatpump)
     
    3.3.1長軸水平布置的螺旋埋管地源熱泵系統
     


    圖3.4長軸水平布置的螺旋埋管地源熱泵系統示意
     
    3.3.2長軸豎直布置的螺旋埋管地源熱泵系統(盤旋布置埋管地源熱泵系統)
     


    圖3.5長軸豎直布置的螺旋埋管地源熱泵系統示意
     
    3.3.3螺旋埋管地源熱泵系統有一種特殊布置形式叫:溝渠集水器式螺旋埋管地源熱泵系統,也有學者把它歸到多層水平埋管地源熱泵系統。
     


    圖3.6溝渠集水器式螺旋埋管地源熱泵系統示意
     
    3.2地表水熱泵系統(Surface-waterheatpumps,SWHPs)
     
    通過直接抽取或者間接換熱的方式,利用包括江水、河水、湖水、水庫水以及海水作為熱泵冷熱源。歸屬于水源熱泵方式。
     
    其優點有:在10米或更深的湖中,可提供10℃的湖水直接制冷,比地下埋管系統投資要小,水泵能耗較低,高可靠性,低維修要求、低運行費用,在溫暖地區,湖水可做熱源。
     
    其缺點有:在淺水湖中,盤管容易被破壞,由于水溫變化較大,會降低機組的效率。
     


    圖3.7地表水直接抽取示意圖

     
    3.8地表水間接換熱示意圖
     
    2.4單井換熱熱井(Standingcolumnwellheatpumps,SCW)
     
    也就是單管型垂直埋管地源熱泵,在國外常稱為"熱井"。這種方式下,在地下水位以上用鋼套作為護套,直徑和孔徑一致;地下水位以下為自然孔洞,不加任何固井設施。熱泵機組出水直接在孔洞上部進入,其中一部分在地下水位以下進入周邊巖土換熱,其余部分在邊壁處與巖土換熱。換熱后的流體在孔洞底部通過埋至底部的回水管被抽取作為熱泵機組供水。這一方式主要應用于巖石地層,典型孔徑為150mm,孔深450m。
     
    該系統適用于巖石地質地區,該地區巖石鉆孔費用高,而與巖石直接換熱,大大提高換熱效率,節省鉆孔、埋管費用。須得注意分析具體地質情況,做好隔熱、封閉、過濾、實際換熱量測算等具體工作。
     
    3.9單井換熱熱井示意圖
     
    四、中國地源熱泵發展存在的障礙
     
    4.1政府政策支持與財政補貼稍顯薄弱
     
    地源熱泵是一項節能環保的技術體系,但目前來講在房地產應用推廣中投資還是相對較高,開發商不愿意在自己的系統中使用這種技術,政府在政策上的支持力度還是稍顯單薄,鼓勵與補貼政策也還不很明確。建議應象國外機構一樣對此類系統設立專項基金給予支持。地源熱泵的市場需要政府從可持續發展的角度,綜合能源、環保和資源等各個方面的考慮,調整政策,促使其健康有序的發展。
     
    4.2對地源熱泵系統研發還不夠深入
     
    地源熱泵作為一種新的科學技術,目前在國家標準規范、宣傳材料、系統圖集方面還有所欠缺,同時在科研上還有一些問題沒有取得突破。比如:土壤源地源熱泵系統的地下溫度場的計算方法不統一;海水源地源熱泵系統海水取水口的設置;地下水地源熱泵的地下管井的設計與施工、水源的探測開采、供水過濾、水質防腐處理、取水回灌的成套技術等問題都還沒有較好的解決方法;對于已經完成并且運行的地源熱泵系統,對其能效性能缺乏正確的評估體系也是影響其正常發展的原因之一。
     
    “十一五”國家科技支撐計劃項目中對地源熱泵系統擬解決的問題有:地下水地源熱泵采用抽水和回灌方式對地下生態環境的影響;地下水地源熱泵的成井技術和取水技術與回灌技術,維護與保養技術,取水溫度的計算方法研究;采用土壤源地源熱泵的地下水文地質條件;不同的布孔密度對應的不同綜合傳熱系數的計算方法;地源熱泵系統的評估指標體系;污水、海水源地源熱泵的取水設備開發,污水換熱技術及專用換熱器開發等。
     
    4.3國內地源熱泵產品質量問題
     
    國內地源熱泵產品生產商的產品型號不全,可靠性不高。目前國內生產水一水熱泵的廠家已經超過20個,但是產品的性能和質量令人擔憂。大部水一水熱泵產品未進行正確、嚴格的設計計算,也未經過權威機構的檢測,因此產品的性能與產品樣本差異較大,導致工程失敗的例子屢見不鮮。國產水一水熱泵的質量亟待提高,產品規格、型號、性能參數各異,難以評價。且目前國內用于地源熱泵系統的產品規格型號較少,難以滿足工程的需要。
     
    4.4缺乏必要的宣傳推廣活動
     
    已經成熟的技術沒有得到及時廣泛的推廣和普及,也給此項技術的應用造成了一些障礙。地源熱泵工程設計作為一項技術含量較高的技術,目前僅掌握在少數科研單位手中,各大設計院的設計人員還沒有完全掌握。地源熱泵的推廣應用,目前缺乏各個專業、各個領域人們的共同配合,缺少從政府政策、主機設計制造、系統的設計和運行管理等各個方面的共同參與。
     
    4.5中國地源熱泵的市場潛力和發展趨勢
     
    目前,我國城鄉共有建筑總面積約400億m2,其中城鎮約為160億m2,在城鎮中居住建筑面積約為105億m2,其中能達到建筑節能標準的僅占5%,其余95%都是未來需要陸續進行節能改造的高能耗建筑;同時,我國每年新增房屋建筑面積約20億m2,預計到2020年底,我國新增的房屋面積將近300億m2,新增城鎮民用建筑面積將為100一150億m2。隨著人民生活水平提高,我國采暖線也將逐步南移,采暖面積會逐步增大,新建建筑將有70億m2以上需要供暖。
     
    據專家測算,目前我國發電裝機容量為5.08億kW,百米內地下水每年可采集的低溫能量約為22×108kW,相當于其43%,近百米內的土壤每年可采集的低溫能量相當于1.5×1012kW,則是其2950倍,淺層地能的應用仍然有相當大的市場發展空間。如果全國每年在1億m2建筑中推廣應用地源熱泵系統供暖空調,則每個采暖季可替代374萬噸左右標煤,或25億m3左右天然氣,削減約6.4萬噸氮氧化物、933萬噸二氧化碳約16萬噸顆粒物的排放?;诖朔N情況,建設部提出,在“十一五”期間,推廣淺層地能使其使用面積達到2.4億m2。
     
    為了順應國家大力發展可再生能源的號召,當前政府、技術研究、工程設計與安裝以及設備制造商等部門應共同努力做好以下幾方面工作:建議國家建立專項基金,鼓勵地源熱泵的推廣應用;調查現有的地源熱泵工程,總結經驗;收集現有的用于地源熱泵的全國水文地質資料,建立基本資料庫;建立專業的地源熱泵用管井設計和施工隊伍,完善地埋管換熱器的安裝和施工隊伍,適當時候建立專項設計施工資質管理制度;開展國家級和城市級的地源熱泵(海水源、污水源、余熱熱源)工程示范,以得到正確可靠的技術數據,指導工程設計、安裝和運行,然后開發適合國情、因地制宜的地源熱泵機組,完善產品系列和規格;加強政府對地源熱泵工程的質量監管,防止一哄而起,杜絕假冒偽劣,保證地源熱泵在建筑中應用中健康發展;開發地源熱泵和其它能源互相補充的技術體系,拓寬其發展方向。
     
    參考文獻
     
    1.《地源熱泵系統工程技術規范》GB50366-2005
     
    2.《地源熱泵應用的技術分析與思考》天津城市建設學院學報第8卷第2期2002.6作者:顏愛斌
     
    4.《地源熱泵系統設計與應用》馬最良,呂悅主編2007年
     
    3.《克萊門特地源熱泵機組樣本》2008年
     
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