地源热泵的技术特点

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地源热泵的技术特点时间：2010-02-26　来源：互联网　　发布评论　进入论坛一.地源热泵技术又称地热泵技术，是一种利用浅层常温土壤中的能量作为能源的先进的高效节能、无污染、低运行成本的既可供暖又可制冷的新型空调技术　　地热泵技术是利用地下常温土壤或地下水温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统或地下水与建物内部完成热交换的装置。它完全不需要任何的人工热源，彻底取代了锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季它代替普通空调向土壤排热给建筑物制冷。同时，它还能供应生活热水，被称为二十一世纪的“绿色空调技术”。二.目前国际上有两种地源热泵技术路线：土--气型地源热泵技术和水--水型地源热泵技术 　　土--气型地源热泵技术以美国的技术为代表，水--水地源热泵技术以北欧的技术为代表。二者的差别是：前者从浅层土壤或地下水中取热或向其排热，通过分散布置于各个房间的地源热泵机组直接转换成热风或冷风为房间供暖或制冷。后者是从地下水中取热或向其排热，经过热泵机组转换成热水或冷水，然后再经过布置在各个房间的风机盘管转换成热风或冷风给房间供暖或制冷。由于美国的土--气型地源热泵技术，可以不用地下水，采用埋设垂直管、水平管或向地表水抛设管路等多种方式，直接从浅层土壤取效或向其排热，不受地下水开采的限制，推广的范围更大、更灵活。另外由于美国技术减少了地热转换成热水和冷水的过程其热损失减少，能源效率更高，供暖、制冷运行费用更低。三.地热泵技术具有明显减排温室气体和应用地区广泛等特点　　由于地热泵供暖时70%以上的能源来源于土壤中的能量，30%以下的能源来源于电能，所以用它替代冬季采暖锅炉，至少可减排温室气体70%以上。如能大面积推广，可明显减排温室气体。另外，土--气型地热泵技术所利用的能源是常温土壤中的能量，并不需要特殊的地热田或地下热水。它只要有足够进行热交换的浅层土壤（-3．5℃以上的土壤或地下水）就可满足地热泵所要求的技术条件。中国城市中约有30－50%的建筑物具备此条件，可以使用地热泵。从气候区上看，从寒冷的黑龙江到炎热的海南岛都可使用。世界上绝大多数国家也具备应用地热泵技术的条件。同时它不消耗也不污染地下水。在利用地下水时，地热泵只向水中排热或吸热，并不用水，所抽取的地下水要全部回灌地下。四.地热泵利用的是可再生能源，永无枯竭　　地热泵从浅层常温土壤中取热或向其排热，浅层土壤之热能来源于太阳能，它永无枯竭，是一种可再生能源。所以，当使用地热泵时，其土壤热源可自行补充，持续使用，不存在资源枯竭问题。五.高效节能，运行费用低　　在供暖时，地热泵技术可将土壤中的能“搬运”至室内，其能量70%以上来自土壤，制热系数高达3．5-4．5，而锅炉仅为0.7-0. 9，可比锅炉节省70%以上的能源和40%一60%运行费用；制冷时要比普通空调节能40%-50%，运行费用降低40%以上。高节能、低运行费用，为商业推广创造了条件。六.地热泵在欧、美是一种非常成熟的已完全商业化了的技术　　在美国、加拿大和北欧国家和地区，地热泵技术已得到广泛地应用，推广速度以每年15％的速度递增，形成了从制造商、工程商到培训机构、技术开发机构、专业管理机构等一整套完整的产业体系。国际地热泵协会（IGSHPA）、美国地热泵协会（GHPC）已建立，他们己完全实现了商业化。七.地热泵技术可实现分户计量、可分期投资，不设室外机由于美国的土--气型地源热泵是分散布置在各户或各室的，它和普通家用空调一样，实行单独电费计量，克服了锅炉采暖和中央空调制冷时的分户计量难题。正由于它是分散安装的，可分期分批投资，解决了中央空调机组必须一次投资到位的要求，从而降低了融资成本。地源热泵空调，没有室外机和冷却塔，建筑物立面更清洁、更美观。八、绿色环保，工作过程中没有燃烧、排烟以及不产生废弃物;既不破坏地下水资源，又无任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，没有噪音，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量，同时还可以减少污染物的排放，自动化程度高，机组以及系统均可实现自动化控制，一机多用，可用于供暖、空调以及制取生活热水。九、地源热泵地下埋管形式　　目前地源热泵地下埋管换热器主要有两种形式，即水平埋管和垂直埋管。　　9.1水平埋管 　　水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形式[1]，由于多层埋管的下层管处于一个较稳定的温度场，换热效率好于单层，而且占地面积较少，因此应用多层管的较多。近年来国外又新开发了两种水平埋管形式，一种是扁平曲线状管，另一种是螺旋状管。它们的优点是使地沟长度缩短，而可埋设的管子长度增加。管路的埋设视岩土情况，可采取挖沟或大面积开挖方法。按文献[1]介绍，单层管最佳深度0.8～1.0m，双层管1.2～1.9m，但无论任何情况均应埋在当地冰冻线以下。由于水平管埋深较浅，其埋管换热器性能不如垂直埋管，而且施工时，占用场地大，在实际使用中，往往是单层与多层互相搭配；螺旋管优于直管，但不易施工。由于浅埋水平管受地面温度影响大，地下岩土冬夏热平衡好，因此适用于单季使用的情况（如欧洲只用于冬季供暖和生活热水供应），对冬夏冷暖联供系统使用者很少。　　9.2垂直埋管　　根据埋管形式的不同，一般有单U形管，双U形管，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管、套管式管等形式；按埋设深度不同分为浅埋（≤30m）、中埋（31～80m）和深埋（>80m）。　　　　目前使用最多的是U形管、套管和单管式，下面作一简述。　　1）U形管型是在钻孔的管井内安装U形管，一般管井直径为100～150mm，井深10~200m，U形管径一般在φ 50mm以下（主要是流量不宜过大所限）。由于其施工简单，换热性能较好，承压高，管路接头少，不易泄漏等原因，目前应用最多。如美国加州斯托克斯大学供应了48万m2空调建筑的地源热泵系统，有390个深度超过120m的地下埋管，据介绍，采用这种地源热泵系统较常规空调每年可节约各种费用45.5万美元，其中能量费用33万美元，节电25%，节约燃料费70%。　　国外有的工程把U形管捆扎在桩基的钢筋网架上，然后浇灌混凝土，不占用地面。如瑞士某工厂地源热泵系统从600个桩基中吸收热量或冷量，用于2万平方米建筑物的供暖和制冷。　　2）套管式换热器的外管直径一般为100～200mm，内管为φ15～φ２５ｍｍ。由于增大了管外壁与岩土的换热面积，因此其单位井深的换热量高，根据文献[2]的试验结果，其换热效率较U形管提高16.7%。其缺点是套管直径及钻孔直径较大，下管比较困难，初投资比U形管高。在套管端部与内管进、出水连接处不好处理，易泄漏，因此适用于深度≤30m的竖埋直管，对中埋采用此种形式宜慎重。为防止漏水，套管端部封头部分宜由工厂加工制作，现场安装，以保证严密性。　　3）单管型在国外常称为“热井”，它主要用于地下水做热源的热泵系统，一般来讲该种型式投资较少。其安装方法是地下水位以上用钢套管作为护套，直径和孔径一致，典型孔径为150mm。地下水位以下为自然孔洞，不加任何设施。孔洞中有一根出水管为热泵机组供水，回水自然排放或回到管井内。这种方式受地下水资源、国家有关政策及法规限制大。　　2地源热泵地下埋管深度　　水平埋管埋设情况比较简单，前面已述。关于竖直埋管的埋设深度应根据当地地质情况，工程及场地的大小，投资及使用的钻机性能等情况综合考虑。结合国情，根据笔者的工程实践体会，其中有几点应注意到：① 钻井深60m以内井深的钻机成本少，费用低，如果大于60m，其钻机成本会提高；②井深80m以内，可用国产普通型承压（承压1.0MPa）塑料管，如深度大于80m，需采用高承压塑料管，其成本大大增加；③据比较，井深50m的造价比100m的要低30%～50%。上述是针对地面中央机房而言，如果采用分室型的水源热泵系统还要考虑建筑高度的影响。　　一般来讲，浅埋管优点是：投资少，成本低，钻机要求不高，可使用普通承压（0.6～1.0MPa）的塑料管，由于受地面温度影响，一般地下岩土冬夏热平衡性较好。其缺点是占用场地面积大，管路接头多，埋管换热效率较中深埋者低。　　深埋管优点是：占用场地面积小，地下岩土温度稳定，换热效率高，单位管长换热量大，管路接头少。其缺点是投资大，成本高，需采用高承压（1.6～2.0MPa）塑料管，钻机性能要求高；由于深层岩土温度场受地面温度影响很小，因此必须注意冬季吸热量和夏季排热量的平衡，否则将影响地源热泵的长期使用效果。在国外，有的采用在系统中加装冷却塔和辅助加热的措施，帮助地下岩土实现热平衡。　　中埋管介于浅、深埋两者之间，塑料管可用普通承压型的。从统计的国内外工程实例看，中埋的地源热泵占多数。　　在实际工程中采用水平式还是垂直式埋管、垂直式埋管深度多大，取决于场地大小、当地岩土类型及挖掘成本。如场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济，如果采用布管机进行多管布置还可减少场地占用面积。当场地面积有限时则应采用垂直式埋管，很多情况下这是唯一选择，如果场地中有坚硬的岩石，用钻岩石的钻头可成功钻孔。 　　3地源热泵地下埋管系统环路方式　　3.1串联方式和并联方式　　在串联系统中，几个井（水平管为管沟）只有一个流通通路；并联方式是一个井（管沟）有一个流通通路，数个井有数个流通通路。在同样埋管的换热量下，垂直埋管比水平埋管换热器占地面积少73%左右。　　串联方式的优点是：①一个回路具有单一流通通路，管内积存的空气容易排出；②串联方式一般需采用较大直径的管子，因此对于单位长度埋管换热量来讲，串联方式换热性能略高于并联方式。其缺点是：①串联方式需采用较大管径的管子，因而成本较高；②由于系统管径大，在冬季气温低地区，系统内需充注的防冻液（如乙醇水溶液）多；③安装劳动成本增大；④管路系统不能太长，否则系统阻力损失太大。　　并联方式的优点是：①由于可用较小管径的管子，因此成本较串联方式低；②所需防冻液少；③安装劳动成本低。其缺点是：①设计安装中必须特别注意确保管内流体流速较高，以充分排出空气；②各并联管道的长度尽量一致（偏差应≤10%），以保证每个并联回路有相同的流量；③确保每个并联回路的进口与出口有相同的压力，使用较大管径的管子做集箱，可达到此目的。　　从国内外工程实践来看，中、深埋管采用并联方式者居多；浅埋管采用串联方式的多。