• 淺析地源熱泵技術(shù)的應用前景
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    • 2016-02-17
     關(guān)鍵詞:熱泵 地源熱泵 發(fā)展障礙
     
    一、概述
     
    隨著(zhù)全球性能源危機的加劇和環(huán)境的惡化,節能和環(huán)保成為世界各國發(fā)展的主題??稍偕茉吹睦门c開(kāi)發(fā)受到了廣泛的重視。同時(shí)由于經(jīng)濟的發(fā)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(diǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題已日益成為各國政府和公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。我國的供熱已經(jīng)經(jīng)歷了一家一戶(hù)的小煤爐到燃煤鍋爐的轉變?,F在又進(jìn)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(huán)境的高度重視。因此,除了集中供熱的型式以外,急需發(fā)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(shù)。
     
    二、地源熱泵技術(shù)介紹
     
    2.1熱泵的定義及原理
     
    在我國《采暖通風(fēng)與空氣調節術(shù)語(yǔ)標準》(GB50155-92)中,對“熱泵”的解釋是“能實(shí)現蒸發(fā)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(lái)供熱的制冷系統”??梢?jiàn),熱泵在本質(zhì)上是與制冷機相同的,熱泵(制冷機)是通過(guò)作功使熱量從溫度低的介質(zhì)流向溫度高的介質(zhì)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(dòng)壓縮機,使工質(zhì)(如R22)循環(huán)運動(dòng)反復發(fā)生物理相變過(guò)程,分別在蒸發(fā)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(guò)閥門(mén)切換使機組實(shí)現制熱(或制冷)功能。在此過(guò)程中,熱泵的壓縮機需要一定量的高位電能驅動(dòng),其蒸發(fā)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(chēng)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(jìn)行冷熱交換來(lái)作為水源熱泵的冷熱源,冬季把地能中的熱量“取”出來(lái),供給室內采暖,此時(shí)地能為“熱源”;夏季把室內熱量取出來(lái),釋放到地下水、土壤或地表水中,此時(shí)地能為“冷源”。具有高效節能、經(jīng)濟環(huán)保、安全可靠、可自動(dòng)運行等優(yōu)點(diǎn)。
     


    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(gè)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(jīng)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(jiǎn)單,初投資較低??諝庠矗L(fēng)冷)熱泵目前的產(chǎn)品主要是家用熱泵空調器、商用單元式熱泵空調機組和風(fēng)冷熱泵冷熱水機組。
     
    空氣源熱泵的主要缺點(diǎn)是在夏季高溫制冷和冬季寒冷天氣制熱時(shí)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(diǎn)溫度時(shí),需要用電或其他輔助熱源對空氣進(jìn)行加熱。而且,在供熱工況下空氣源熱泵的蒸發(fā)器上會(huì )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(fā)器的結霜可成為較大的技術(shù)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(cháng)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(lèi)及其優(yōu)缺點(diǎn)
     
    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(shuō)的深井回灌式水源熱泵系統,通過(guò)建造抽水井群將地下水抽出,通過(guò)二次換熱或直接送至水源熱泵機組,經(jīng)提取熱量或釋放熱量后,由回灌井群灌回地下。
     
    其最大優(yōu)點(diǎn)是非常經(jīng)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(zhì)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(chēng)埋管式土壤源熱泵系統,還有另外一個(gè)術(shù)語(yǔ)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(guò)中間介質(zhì)(通常為水或者是加入防凍劑的水)作為熱載體,使中間介質(zhì)在埋于土壤內部的封閉環(huán)路中循環(huán)流動(dòng),從而實(shí)現與大地土壤進(jìn)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(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(lián)式水平埋管示意圖
     


    圖3.2并聯(lián)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(yōu)點(diǎn)有:較小的土地占用,管路及水泵用電少;其缺點(diǎn)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(cháng)軸水平布置的螺旋埋管地源熱泵系統
     


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


    圖3.5長(cháng)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(xué)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(guò)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(yōu)點(diǎn)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(diǎn)有:在淺水湖中,盤(pán)管容易被破壞,由于水溫變化較大,會(huì )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(chēng)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(jìn)入,其中一部分在地下水位以下進(jìn)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(guò)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(zhì)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(zhì)情況,做好隔熱、封閉、過(guò)濾、實(shí)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(fā)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(huán)保的技術(shù)體系,但目前來(lái)講在房地產(chǎn)應用推廣中投資還是相對較高,開(kāi)發(fā)商不愿意在自己的系統中使用這種技術(shù),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(lèi)系統設立專(zhuān)項基金給予支持。地源熱泵的市場(chǎng)需要政府從可持續發(fā)展的角度,綜合能源、環(huán)保和資源等各個(gè)方面的考慮,調整政策,促使其健康有序的發(fā)展。
     
    4.2對地源熱泵系統研發(fā)還不夠深入
     
    地源熱泵作為一種新的科學(xué)技術(shù),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(shí)在科研上還有一些問(wèn)題沒(méi)有取得突破。比如:土壤源地源熱泵系統的地下溫度場(chǎng)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(kāi)采、供水過(guò)濾、水質(zhì)防腐處理、取水回灌的成套技術(shù)等問(wèn)題都還沒(méi)有較好的解決方法;對于已經(jīng)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(fā)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(wèn)題有:地下水地源熱泵采用抽水和回灌方式對地下生態(tài)環(huán)境的影響;地下水地源熱泵的成井技術(shù)和取水技術(shù)與回灌技術(shù),維護與保養技術(shù),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(zhì)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(kāi)發(fā),污水換熱技術(shù)及專(zhuān)用換熱器開(kāi)發(fā)等。
     
    4.3國內地源熱泵產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題
     
    國內地源熱泵產(chǎn)品生產(chǎn)商的產(chǎn)品型號不全,可靠性不高。目前國內生產(chǎn)水一水熱泵的廠(chǎng)家已經(jīng)超過(guò)20個(gè),但是產(chǎn)品的性能和質(zhì)量令人擔憂(yōu)。大部水一水熱泵產(chǎn)品未進(jìn)行正確、嚴格的設計計算,也未經(jīng)過(guò)權威機構的檢測,因此產(chǎn)品的性能與產(chǎn)品樣本差異較大,導致工程失敗的例子屢見(jiàn)不鮮。國產(chǎn)水一水熱泵的質(zhì)量亟待提高,產(chǎn)品規格、型號、性能參數各異,難以評價(jià)。且目前國內用于地源熱泵系統的產(chǎn)品規格型號較少,難以滿(mǎn)足工程的需要。
     
    4.4缺乏必要的宣傳推廣活動(dòng)
     
    已經(jīng)成熟的技術(shù)沒(méi)有得到及時(shí)廣泛的推廣和普及,也給此項技術(shù)的應用造成了一些障礙。地源熱泵工程設計作為一項技術(shù)含量較高的技術(shù),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(méi)有完全掌握。地源熱泵的推廣應用,目前缺乏各個(gè)專(zhuān)業(yè)、各個(gè)領(lǐng)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(gè)方面的共同參與。
     
    4.5中國地源熱泵的市場(chǎng)潛力和發(fā)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(lái)需要陸續進(jìn)行節能改造的高能耗建筑;同時(shí),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(zhù)人民生活水平提高,我國采暖線(xiàn)也將逐步南移,采暖面積會(huì )逐步增大,新建建筑將有70億m2以上需要供暖。
     
    據專(zhuān)家測算,目前我國發(fā)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(chǎng)發(fā)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(gè)采暖季可替代374萬(wàn)噸左右標煤,或25億m3左右天然氣,削減約6.4萬(wàn)噸氮氧化物、933萬(wàn)噸二氧化碳約16萬(wàn)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(fā)展可再生能源的號召,當前政府、技術(shù)研究、工程設計與安裝以及設備制造商等部門(mén)應共同努力做好以下幾方面工作:建議國家建立專(zhuān)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(jīng)驗;收集現有的用于地源熱泵的全國水文地質(zhì)資料,建立基本資料庫;建立專(zhuān)業(yè)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(shí)候建立專(zhuān)項設計施工資質(zhì)管理制度;開(kāi)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(shù)數據,指導工程設計、安裝和運行,然后開(kāi)發(fā)適合國情、因地制宜的地源熱泵機組,完善產(chǎn)品系列和規格;加強政府對地源熱泵工程的質(zhì)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(fā)展;開(kāi)發(fā)地源熱泵和其它能源互相補充的技術(shù)體系,拓寬其發(fā)展方向。
     
    參考文獻
     
    1.《地源熱泵系統工程技術(shù)規范》GB50366-2005
     
    2.《地源熱泵應用的技術(shù)分析與思考》天津城市建設學(xué)院學(xué)報第8卷第2期2002.6作者:顏愛(ài)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(mén)特地源熱泵機組樣本》2008年
     
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