地源熱泵工作原理

1、地源熱泵工作原理

　　地源熱泵則是利用水源熱泵的一種形式，它是利用水與地能（地下水、土壤或地表水）進(jìn)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(nèi)采暖，此時地能為“熱源”；夏季把室內(nèi)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”。

　　地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)主要分三部分：室外地能換熱系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)組和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)。其中水源熱泵機(jī)主要有兩種形式：水—水式或水—空氣式。三個系統(tǒng)之間靠水或空氣換熱介質(zhì)進(jìn)行熱量的傳遞，水源熱泵與地能之間換熱介質(zhì)為水，與建筑物采暖空調(diào)末端換熱介質(zhì)可以是水或空氣。

2、地源熱泵技術(shù)路線

　　地源熱泵技術(shù)路線有以下兩種：土--氣型地源熱泵技術(shù)和水--水型地源熱泵技術(shù)

　　土--氣型地源熱泵技術(shù)以美國的技術(shù)為代表，水--水地源熱泵技術(shù)以北歐的技術(shù)為代表。二者的差別是：前者從淺層土壤或地下水中取熱或向其排熱，通過分散布置于各個房間的地源熱泵機(jī)組直接轉(zhuǎn)換成熱風(fēng)或冷風(fēng)為房間供暖或制冷。后者是從地下水中取熱或向其排熱，經(jīng)過熱泵機(jī)組轉(zhuǎn)換成熱水或冷水，然后再經(jīng)過布置在各個房間的風(fēng)機(jī)盤管轉(zhuǎn)換成熱風(fēng)或冷風(fēng)給房間供暖或制冷。由于美國的土--氣型地源熱泵技術(shù)，可以不用地下水，采用埋設(shè)垂直管、水平管或向地表水拋設(shè)管路等多種方式，直接從淺層土壤取效或向其排熱，不受地下水開采的限制，推廣的范圍更大、更靈活。

3、地源分類

　　地源按照室外換熱方式不同可分為三類：(1)土壤埋管系統(tǒng)，(2)地下水系統(tǒng)，(3)地表水系統(tǒng)。

　　根據(jù)循環(huán)水是否為密閉系統(tǒng)，地源又可分為閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)如埋盤管方式 （垂直埋管或水平埋管），地表水安置換熱器方式。開環(huán)系統(tǒng)如抽取地下水或地表水方式。此外，還有一種“直接膨脹式”，它不象上述系統(tǒng)那樣采用中間介質(zhì)水來傳遞熱量，而是直接將熱泵的一個換熱器（蒸發(fā)器）埋入地下進(jìn)行換熱。

4、地源熱泵系統(tǒng)的形式

　　土-氣型地源熱泵系統(tǒng)按照室外換熱方式不同分，主要有三類形式：

1）地耦管系統(tǒng)

　　該方案只需在建筑物的周邊空地、道路或停車場打一些地耦管孔，室外水系統(tǒng)注滿水后形成一個封閉的水循環(huán)，利用水的循環(huán)和地下土壤換熱，將能量在空調(diào)室內(nèi)和地下土壤之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。故該方案不需要直接抽取地下水，不會對本地區(qū)地下水的平衡和地下水的品質(zhì)造成任何影響，不會受到國家地下水資源政策的限制。

2） 地下水系統(tǒng)

　　項(xiàng)目附近如果有可利用的地表水，水溫、水質(zhì)、水量符合使用要求，則可采用開式地表水（直接抽?。Q熱方式，即直接抽取地表水，將其通過板式換熱器與室內(nèi)水循環(huán)進(jìn)行隔離換熱，可以避免對地表水的污染。此種換熱方式可以節(jié)省打井的施工費(fèi)用，室外工程造價較低。

3） 地表水系統(tǒng)

　　項(xiàng)目附近如果有可利用的地表水，水溫、水質(zhì)、水量符合使用要求，則可采用拋放地耦管換熱方式，即將盤管放入河水（或湖水）中，盤管與室內(nèi)循環(huán)水換熱系統(tǒng)形成閉式系統(tǒng)。該方案不會影響熱泵機(jī)組的正常使用；另一方面也保證了河水（湖水）的水質(zhì)不受到任何影響，而且可以大大降低室外換熱系統(tǒng)的施工費(fèi)用。

地源熱泵在回灌困難地區(qū)的應(yīng)用

北京市是偉大祖國的首都，為改善空氣環(huán)境、減少大氣污染，市委市政府早在2000年就提出了大氣污染治理規(guī)劃。在城區(qū)內(nèi)利用清潔能源取代燃煤鍋爐，禁止新建燃煤鍋爐。水源熱泵空調(diào)作為一種清潔、節(jié)能、環(huán)保新技術(shù)很快被人們認(rèn)識和接受。但在水源熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用中，如何合理地抽取和回灌地下水是困惑用戶的首要問題。在水文地質(zhì)條件相對差的地區(qū)，回灌很難，出現(xiàn)了個別項(xiàng)目難以實(shí)現(xiàn)地下水的100%回灌，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。

      地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)正好彌補(bǔ)了水源熱泵系統(tǒng)的不足，它通過密閉的PE換熱管與地層進(jìn)行熱交換，為熱泵提供冷熱源，不再需要提取和回灌地下水。它的成功應(yīng)用和示范，使在水文地質(zhì)條件較差的地區(qū)也能使用地能資源。本文將對比水源熱泵和地源熱泵系統(tǒng)，以及它們所適用的地質(zhì)條件和地區(qū)，并通過對朝陽區(qū)綠化局辦公樓地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的介紹，使大家對地源熱泵進(jìn)一步了解。

一、地能熱泵系統(tǒng)的介紹

1.1地能概述

      人類賴以生存的地球蘊(yùn)藏著豐富的各類礦產(chǎn)資源，同時它還是一個非常巨大的能量資源庫。以淺層地表為例，據(jù)調(diào)查地表以下5~10米的地層溫度就不隨室外大氣溫度的變化而變化，常年維持在15~17℃。這樣的溫度相對于北京等的北方城市，冬季它比大氣溫度（5~-15℃）高，是可利用的低品位熱源；夏季它比大氣溫度（25~40℃）低，是可利用的冷源。

      地能熱泵系統(tǒng)就是利用地層的冬暖夏涼的特性，通過提取和釋放地層中的熱量，實(shí)現(xiàn)冬季供暖和夏季制冷。冬季通過輸入1kW的電能，熱泵機(jī)組可吸收2.5~3kW的地能，為建筑物提供3.5~4kW的熱能；夏季通過輸入1kW的電能，能為建筑物提供3.5~4kW的冷能。而該項(xiàng)目技術(shù)成功的關(guān)鍵就在于如何從地層中提取和釋放熱能。

      水源熱泵和地源熱泵都屬于地能熱泵的范疇，不同之處就在于它們提取和釋放地能的方式不同。

1.2水源熱泵和地源熱泵

     水源熱泵是通過抽取與地層同溫度的地下水，機(jī)組與地下水換熱后，地下水通過回灌井回灌到地層中。根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷量及需水量的大小，地層的出水能力和回灌能力來設(shè)計(jì)抽水井和回灌井的數(shù)量。

抽灌井可為一抽一灌、一抽多灌或多抽多灌。

地源熱泵系統(tǒng)通過在密閉的換熱管里循環(huán)的循環(huán)液與地層之間進(jìn)行熱量交換，冬季吸熱、夏季散熱。根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷量的大小，地層的導(dǎo)熱能力來設(shè)計(jì)換熱孔形式、數(shù)量和深度。

圖1水源熱泵示意圖

 圖2地源熱泵示意圖

二、北京市水文地質(zhì)條件

      北京市水文地質(zhì)條件相對較好的地區(qū)主要分布在永定河古河道，潮白河古河道等，比較適合應(yīng)用水源熱泵的地區(qū)有：海淀區(qū)南部、石景山區(qū)、豐臺區(qū)、大興北部、城區(qū)、順義縣城東北部等部分地區(qū)。根據(jù)具體地點(diǎn)的水文地質(zhì)條件不同，其單井的抽水量和回灌量都有所不同。

基本上所有的地區(qū)都能使用地源熱泵，但平原區(qū)，如海淀北部、朝陽區(qū)、昌平區(qū)、順義南部、通縣、大興南部等地區(qū)，地層顆粒細(xì)換熱孔施工容易，成孔費(fèi)用相對較低；山區(qū)及山前地區(qū)，由于地層為巖石地層或顆粒較大，鉆孔費(fèi)用較高。

三、地源熱泵案例

      北京市朝陽區(qū)綠化局位于朝陽區(qū)紅領(lǐng)巾公園橋西北側(cè)，新辦公樓總建筑面積為4000m²，其中地上局部三層，地下一層。辦公樓于2003年初開始建設(shè)，由于距離城市熱源主干道較遠(yuǎn)，如采用燃?xì)忮仩t或城市熱力供暖都需要投入很大的接口費(fèi)用。因?yàn)榧t領(lǐng)巾公園所處地區(qū)，地層顆粒較細(xì)，主要以粘土、粉細(xì)砂、粗砂和砂礫層為主，所以選用了地源熱泵系統(tǒng)。

      建筑物的總熱負(fù)荷為450kW（含30kW生活熱水負(fù)荷），總冷負(fù)荷為480kW。空調(diào)系統(tǒng)選用東宇制冷設(shè)備廠生產(chǎn)的GWHP530Y30型水水熱泵機(jī)組。地埋管系統(tǒng)布置在辦公樓東側(cè)道路下，換熱孔共計(jì)26眼，成兩列排布，孔間距為4米。每孔下入DN32的高密度聚氯乙烯（HDPE）換熱管4個，底部采用U型接頭（雙U型）。換熱孔一次埋設(shè)成功后，地面鋪設(shè)了道路。

      系統(tǒng)建成后經(jīng)過了一個采暖季和一個制冷季，運(yùn)行穩(wěn)定，效果非常好。采暖季運(yùn)行費(fèi)用僅為16元/m²季，制冷季運(yùn)行費(fèi)用僅為18元/m²季。

四、結(jié)論

地源熱泵系統(tǒng)是清潔、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)并環(huán)保的技術(shù)，利用少量的電能即可實(shí)現(xiàn)供暖和供冷。同時換熱孔系統(tǒng)不需要提取和回灌地下水，在水文地質(zhì)條件較差的地區(qū)也能實(shí)現(xiàn)地能利用。地源熱泵系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用，將會促進(jìn)“藍(lán)天工程”的實(shí)施，在能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整中占有一席之地。

地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用原理簡介

熱泵技術(shù)是在高位能的拖動下，將熱量從低位熱源流向高位熱源的技術(shù)。它可以把不能直接利用的低品位熱能(如空氣、土壤、水、太陽能、工業(yè)廢熱等)轉(zhuǎn)化為可利用的高位能，從而達(dá)到節(jié)約部分高位能(煤、石油、天然氣、電能等)的目的。

　　利用低位能的熱泵技術(shù)可以節(jié)約燃料、合理利用能源、減輕環(huán)境污染，作為一條節(jié)能與環(huán)保并重的途徑。有研究表明，與區(qū)域鍋爐房的能耗比較，相同容量的熱泵站的能耗：用河水(5～6.6℃)作為低位熱源時，年節(jié)煤率為12.68～14.08%；用海水(12～13.6℃)作為低位熱源時，年節(jié)煤率為21.59～39.98%；用工業(yè)廢水(18～20℃)作為低位熱源時，年節(jié)煤率為39～39.98%。

    熱泵的效率與建筑物室內(nèi)和室外環(huán)境的溫差有關(guān)，溫差越小，熱泵的效率越高。有研究表明，從熱泵機(jī)組冬季運(yùn)行中除霜的角度來看，空氣源熱泵的使用不但與室外溫度有關(guān)，而且與室外大氣的相對濕度有密切關(guān)系，這大大限制了它的使用范圍。采用地源熱泵系統(tǒng)，由于土壤的溫度比室外空氣溫度更接近室內(nèi)的溫度，若設(shè)計(jì)合理，地源熱泵可以比空氣源熱泵具有更高的效率和更好的可靠性。

    此外，因?yàn)橄嗤w積流量水的熱容是空氣的3500倍，水與制冷劑的換熱效果遠(yuǎn)好于空氣與制冷劑的對流換熱，因此地源熱泵的換熱盤管要比空氣源熱泵小得多且地源熱泵系統(tǒng)的構(gòu)件較少使其運(yùn)行費(fèi)用可以降低。