【原】圖文并茂：深度解讀“地源熱泵”
時(shí)間:2022-02-19
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一、地源熱泵概述
地源熱泵是利用淺層地能進(jìn)行供熱制冷的新型能源利用技術(shù)，是熱泵的一種,熱泵是利用卡諾循環(huán)和逆卡諾循環(huán)原理轉(zhuǎn)移冷量和熱量的設(shè)備.地源熱泵通常是指能轉(zhuǎn)移地下土壤中熱量或者冷量到所需要的地方。
通常熱泵都是用來(lái)做為空調(diào)制冷或者采暖用的.地源熱泵還利用了地下土壤巨大的蓄熱蓄冷能力,冬季地源把熱量從地下土壤中轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi),夏季再把地下的冷量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi),一個(gè)年度形成一個(gè)冷熱循環(huán)。
二、地源熱泵的由來(lái)
"地源熱泵"的概念，最早于1912年由瑞士的專家提出，而該技術(shù)的提出始于英、美兩國(guó)。
北歐國(guó)家主要偏重于冬季采暖，而美國(guó)則注重冬夏聯(lián)供。由于美國(guó)的氣候條件與中國(guó)很相似，因此研究美國(guó)的地源熱泵應(yīng)用情況，對(duì)我國(guó)地源熱泵的發(fā)展有著借鑒意義。
三、熱泵工作原理
作為自然界的現(xiàn)象，正如水由高處流向低處那樣，熱量也總是從高溫流向低溫。但人們可以創(chuàng)造機(jī)器，如同把水從低處提升到高處而采用水泵那樣，采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫。所以熱泵實(shí)質(zhì)上是一種熱量提升裝置，它本身消耗一部分能量，把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量加以挖掘，提高溫位進(jìn)行利用，而整個(gè)熱泵裝置所消耗的功僅為供熱量的三分之一或更低，這也是熱泵的節(jié)能特點(diǎn)。
1、制冷模式：
在制冷狀態(tài)下，地源熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功，使其進(jìn)行汽-液轉(zhuǎn)化的循環(huán)。通過(guò)蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)將由風(fēng)機(jī)盤管循環(huán)所攜帶的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)同時(shí)再通過(guò)冷凝器內(nèi)冷媒的冷凝，由水路循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收，最終由水路循環(huán)轉(zhuǎn)移至地表水、地下水或土壤里。在室內(nèi)熱量不斷轉(zhuǎn)移至地下的過(guò)程中，通過(guò)風(fēng)機(jī)盤管，以13℃以下的冷風(fēng)的形式為房間供冷。
2、供暖模式:
在供暖狀態(tài)下，壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功，并通過(guò)換向閥將冷媒流動(dòng)方向換向。由地下的水路循環(huán)吸收地表水、地下水或土壤里的熱量，通過(guò)冷凝器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)，將水路循環(huán)中的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時(shí)再通過(guò)蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的冷凝，由風(fēng)機(jī)盤管循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收。在地下的熱量不斷轉(zhuǎn)移至室內(nèi)的過(guò)程中，以35℃以上熱風(fēng)的形式向室內(nèi)供暖。
四、地源熱泵組成
熱泵與制冷的原理和系統(tǒng)設(shè)備組成及功能是一樣的，對(duì)蒸氣壓縮式熱泵（制冷）系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流閥組成：
1、壓縮機(jī)：
起著壓縮和輸送循環(huán)工質(zhì)從低溫低壓處到高溫高壓處的作用，是熱泵（制冷）系統(tǒng)的心臟；
2、蒸發(fā)器：
是輸出冷量的設(shè)備，它的作用是使經(jīng)節(jié)流閥流入的制冷劑液體蒸發(fā)，以吸收被冷卻物體的熱量，達(dá)到制冷的目的；
3、冷凝器：
是輸出熱量的設(shè)備，從蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機(jī)消耗功所轉(zhuǎn)化的熱量在冷凝器中被冷卻介質(zhì)帶走，達(dá)到制熱的目的；
4、膨脹閥或節(jié)流閥：
對(duì)循環(huán)工質(zhì)起到節(jié)流降壓作用，并調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的循環(huán)工質(zhì)流量。
根據(jù)熱力學(xué)第二定律，壓縮機(jī)所消耗的功（電能）起到補(bǔ)償作用，使循環(huán)工質(zhì)不斷地從低溫環(huán)境中吸熱，并向高溫環(huán)境放熱，周而往復(fù)地進(jìn)行循環(huán)。
地源熱泵系統(tǒng)組成
地源熱泵系統(tǒng)主要分三部分（如下圖）：
室外地能換熱系統(tǒng)、地源熱泵機(jī)組和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)。其中地源熱泵機(jī)主要有兩種形式：水—水式或水—空氣式。三個(gè)系統(tǒng)之間靠水或空氣換熱介質(zhì)進(jìn)行熱量的傳遞，地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。
五、地源熱泵優(yōu)點(diǎn)
1、高效節(jié)能，穩(wěn)定可靠
地能或地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，土壤與空氣溫差一般為17度，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40%～60%，因此要節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用40％－50％左右。通常地源熱泵消耗1KW的能量，用戶可以得到5KW以上的熱量或4KW以上冷量，所以我們將其稱為節(jié)能型空調(diào)系統(tǒng)。
2、無(wú)環(huán)境污染
地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少40％以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70％以上，真正的實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。
3、一機(jī)多用
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(lái)的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。
4、維護(hù)費(fèi)用低
地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件要比常規(guī)系統(tǒng)少，因而減少維護(hù)，系統(tǒng)安裝在室內(nèi)，不暴露在風(fēng)雨中，也可免遭損壞，更加可靠，延長(zhǎng)壽命。
5、使用壽命長(zhǎng)
地源熱泵的地下埋管選用聚乙烯和聚丙烯塑料管，壽命可達(dá)50年。 要比普通空調(diào)高35年使用壽命。
6、節(jié)省空間
沒有冷卻塔、鍋爐房和其它設(shè)備，省去了鍋爐房，冷卻塔占用的寶貴面積，產(chǎn)生附加經(jīng)濟(jì)效益，并改善了環(huán)境外部形象。
六、地源熱泵特點(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（Earth Energy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽(yáng)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(yáng)能集熱器，收集了47％的太陽(yáng)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(wú)處不在。這種儲(chǔ)存于地表淺層近乎無(wú)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(duì)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40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用40%左右。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(guó)環(huán)保署EPA估計(jì)，設(shè)計(jì)安裝良好的地源熱泵，平均來(lái)說(shuō)可以節(jié)約用戶30～40％的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。
3、環(huán)境效益顯著
地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少40％以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70％以上，如果結(jié)合其它節(jié)能措施節(jié)能減排會(huì)更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調(diào)裝置減少25％的充灌量；屬自含式系統(tǒng)，即該裝置能在工廠車間內(nèi)事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機(jī)率大為減少。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(chǎng)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、空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來(lái)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(chǎng)、辦公樓、學(xué)校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。此外，機(jī)組使用壽命長(zhǎng)，均在15年以上；機(jī)組緊湊、節(jié)省空間；維護(hù)費(fèi)用低；自動(dòng)控制程度高，可無(wú)人值守。當(dāng)然，象任何事物一樣，地源熱泵也不是十全十美的，如其應(yīng)用會(huì)受到不同地區(qū)、不同用戶及國(guó)家能源政策、燃料價(jià)格的影響；一次性投資及運(yùn)行費(fèi)用會(huì)隨著用戶的不同而有所不同；采用地下水的利用方式，會(huì)受到當(dāng)?shù)氐叵滤Y源的制約，實(shí)際上地源熱泵并不需要開采地下水，所使用的地下水可全部回灌，不會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生污染。
5、地源熱泵同空氣源熱泵相比，有許多優(yōu)點(diǎn)：
全年溫度波動(dòng)小。冬季溫度比空氣溫度高，夏季比空氣溫度低，因此地源熱泵的制熱、制冷系數(shù)要高于空氣源熱泵，一般可高于40%，因此可節(jié)能和節(jié)省費(fèi)用40%左右。
冬季運(yùn)行不需要除霜，減少了結(jié)霜和除霜的損失。
地源有較好的蓄能作用。
地源熱泵的分類
地源按照室外換熱方式不同可分為三類：
地表水系統(tǒng)
土壤埋盤管系統(tǒng)
地下水系統(tǒng)
1、地表水系統(tǒng)
地表水地源熱泵系統(tǒng)，由潛在水面以下的多重并聯(lián)的塑料管組成的地下水熱交換器取代了土壤熱交換器，與土壤熱交換器地源熱泵一樣，它們被連接到建筑物中。一 般情況下，只要地表水冬季不結(jié)冰，均可作為低溫?zé)嵩词褂?。我?guó)有豐富的地表水資源，用其作為熱泵的低溫?zé)嵩?，可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。地表 水相對(duì)于室外空氣是溫度較高的熱源，且不存在結(jié)霜問(wèn)題，冬季溫度也比較穩(wěn)定。利用地表水作為熱泵的低溫?zé)嵩?，要附設(shè)取水和水處理設(shè)施，如清除浮游生物和垃圾，防止泥沙等進(jìn)入系統(tǒng)，影響換熱設(shè)備的傳熱效率或堵塞系統(tǒng)，而且應(yīng)考慮設(shè)備和管路系統(tǒng)的腐蝕問(wèn)題。
2、土壤熱交換器系統(tǒng)
土壤是熱泵良好的低溫?zé)嵩?。通過(guò)水的流動(dòng)和太陽(yáng)輻射熱的作用，土壤的表層貯存了大量的熱能。土壤的溫度變化不大，并有一定的蓄熱作用。熱泵可以從土壤表層吸收熱量，土壤的持續(xù)吸熱率(能量密度)為20-40w／m2，一般在25w／m2左右。土壤的主要優(yōu)點(diǎn)是：(1)溫度穩(wěn)定，全年波動(dòng)較小，冬季土壤溫度比空氣高，因此熱泵的制熱系數(shù)較高；(2)土壤的傳熱盤管埋于地下，熱泵運(yùn)行中不需 要通過(guò)風(fēng)機(jī)或水泵采熱，無(wú)噪聲，換熱器也不需要除霜；(3)土壤有蓄能作用。
3、地下水系統(tǒng)
地下水位于較深的地層中，由于地層的隔熱作用，其溫度隨季節(jié)的波動(dòng)很小，特別是深井水的溫度長(zhǎng)年基本不變，對(duì)熱泵的運(yùn)行十分有利，是很好的低溫?zé)嵩?。但是如果大量取用地下水，?huì)造成地面下沉和水源枯竭，因此以深井水作為熱源時(shí)，應(yīng)與“深井回灌”相結(jié)合，即采用“夏灌冬用”和“冬灌夏用”等蓄熱（冷）措施，嚴(yán)禁采用直接取水無(wú)回灌的“抽水空調(diào)”。
