克萊門特捷聯(lián)制冷設(shè)備(上海)有限公司 崔旭 沈陽新瑞特機(jī)電設(shè)備有限公司 錢鎮(zhèn)

地源熱泵技術(shù)

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環(huán)境污染和能源危機(jī)已成為當(dāng)今社會(huì)的兩大難題,因此盡可能少地消耗能源為建筑物創(chuàng)造舒適環(huán)境已經(jīng)成為空調(diào)的發(fā)展方向,開發(fā)利用天然的冷/熱源能夠?yàn)榭照{(diào)帶來節(jié)能和環(huán)保雙重效益,因而越來越受到人們的重視?，F(xiàn)如今正在興起一種新的采暖及制冷方式,地源熱泵技術(shù),采暖及制冷采用同一套系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)了環(huán)保和節(jié)能。

一、地源熱泵概念

地源熱泵是一種利用淺層和深層的大地能量,包括土壤、地下水、地表水等天然能源作為冬季熱源和夏季冷源,然后再由熱泵機(jī)組向建筑物供冷供熱的系統(tǒng),是一種利用可再生能源既可供暖又可制冷的新型中央空調(diào)系統(tǒng)。如下圖所示:

二、地源熱泵系統(tǒng)的原理

地源熱泵系統(tǒng)的原理根據(jù)熱力學(xué)第一定律。

熱力學(xué)第一定律即能量守恒及轉(zhuǎn)化定律:能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生,也不會(huì)憑空消滅,它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式,或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體,在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中,能量的總量不變。

對于地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在冬季運(yùn)行時(shí)機(jī)組內(nèi)部的制冷劑從地下(土壤、地下水、地表水等)吸收熱量U1,壓縮機(jī)利用電能驅(qū)動(dòng)對制冷劑系統(tǒng)做的有用功為W (為壓縮機(jī)對系統(tǒng)內(nèi)作功),則此時(shí)機(jī)組為用戶提供的制熱量為U2,則U2=U1+W

壓縮機(jī)對制冷劑系統(tǒng)所做的有用功是消耗電能實(shí)現(xiàn)的,因此機(jī)組的耗電量U3與機(jī)組對內(nèi)做的有用功W及在壓縮機(jī)對內(nèi)作功的同時(shí)會(huì)以熱的方式消耗小部分熱量Q的關(guān)系為: U3=W+Q W=U3-Q

即U2=U1U3-Q

但由于機(jī)組的保溫措施較好,消耗的小部分熱量往往可以忽略不計(jì),因此 U2≈U1+U3

即冬季運(yùn)行時(shí)地源熱泵系統(tǒng)的制熱量等于機(jī)組內(nèi)部的制冷劑從地下(土壤、地下水、地表水等)吸收熱量與壓縮機(jī)耗電量之和。

地源熱泵機(jī)組在夏季運(yùn)行時(shí)與冬季不同的處為,機(jī)組內(nèi)部的制冷劑向地下(土壤、地下水、地表水等)的放熱量為U2,機(jī)組為用戶提供的制冷量為U1。

則

其它與冬季運(yùn)行工況同,最后仍可得出

即夏季運(yùn)行時(shí)地源熱泵系統(tǒng)需要向地下(土壤、地下水、地表水等)的放熱量等于機(jī)組制冷量與壓縮機(jī)耗電量之和。

從以上冬、夏季地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行分析可知,兩者所用的公式是相同的,就是各個(gè)字母所代表的參數(shù)有所變化。這就是地源熱泵的特殊之處,冬季冷凝器與用戶側(cè)連接,為用戶供暖,蒸發(fā)器與地源側(cè)連接,從土壤中吸取熱量(在此過程中將土壤制冷);夏季冷凝器與地源側(cè)連接,此時(shí)的冷凝器所放的熱量變?yōu)榱藦U熱排入地下,冷凝器與用戶側(cè)連接為用于制冷(就是吸取用戶內(nèi)的熱量)。這種地源側(cè)和用戶側(cè)的轉(zhuǎn)換可以在內(nèi)部通過四通換向閥改變機(jī)組內(nèi)部制冷劑的管路來實(shí)現(xiàn),也可通過水路手動(dòng)閥門或電動(dòng)閥門的切換來實(shí)現(xiàn)。壓縮機(jī)利用所耗的電能為主機(jī)內(nèi)部的制冷劑系統(tǒng)提供有用功,使制冷劑系統(tǒng)不斷地進(jìn)行吸熱(制冷)和放熱(采暖)的循環(huán)。

三、地源熱泵技術(shù)的特點(diǎn)

(1)屬可再生能源利用技術(shù)。地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源(通常小于400米深)作為冷熱源,進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地?zé)豳Y源可以稱之為地能,是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地?zé)崮芏N(yùn)藏的低溫位熱能。地表淺層是一個(gè)巨大的太陽能集熱器,收集了47%的太陽能量,比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制,真正是量大面廣、無處不在。這種儲(chǔ)存于地表淺層近乎無限的可再生能源,使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。(2)屬經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能技術(shù)。地能或地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對穩(wěn)定,冬季比環(huán)境空氣溫度高,夏季比環(huán)境空氣溫度低,是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源,這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高。另外,地能溫度較恒定的特性,使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定,也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。據(jù)美國10年來的統(tǒng)計(jì)資料,地源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用(采暖)比耗電空調(diào)節(jié)約22%～25%,比燃油、燃煤鍋爐運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約40%～60%。(3)環(huán)境效益顯著。該裝置的運(yùn)行沒有任何污染,可以建造在居民區(qū)內(nèi),沒有燃燒,沒有排煙,也沒有廢棄物,不需要堆放燃料廢物的場地,且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。(4)一機(jī)多用,應(yīng)用范圍廣。地源熱泵系統(tǒng)可供暖、制冷,還可供生活熱水,一機(jī)多用,一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng);可應(yīng)用于賓館、商場、辦公樓、學(xué)校等建筑,更適合于別墅住宅的采暖、制冷。(5)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用低。在同等條件下,采用地源熱泵系統(tǒng)的建筑物能夠減少維護(hù)費(fèi)用。地源熱泵非常耐用,它的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件非常少,所有的部件不是埋在地下便是安裝在室內(nèi),從而避免了室外的惡劣氣候,其地下部分可保證50年,地源熱泵是維護(hù)少,節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用。(6)地源熱泵推廣的障礙。地埋管的應(yīng)用會(huì)受到當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件的制約。打孔和埋管要占用部分面積。一次性投資費(fèi)用比其他系統(tǒng)高,主要是相當(dāng)于額外增加地下埋管打孔費(fèi)用。地質(zhì)情況的不確定性比較大,系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求比較高。政府、建筑設(shè)計(jì)人員和公眾對這一技術(shù)缺乏了解。

四、結(jié)語

地源熱泵利用地下蓄存的能量及二次能源電能,為用戶提供制冷和采暖的需求,即節(jié)能又環(huán)保,是一項(xiàng)值得長期推廣的項(xiàng)目,但同時(shí)也需要相關(guān)的技術(shù)單位更好更快的進(jìn)行深入的專研和開發(fā),使地源熱泵技術(shù)變得更加的成熟,更有效的服務(wù)于人民,并解決能源緊張問題。

[1]廉樂明.工程熱力學(xué).中國建筑工業(yè)出版社, 1999.12

[2]解國珍.制冷技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社,2008.06

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