浅谈地源热泵技术及其应用

梁德婧 曹海霞

(苏州大学物理科学与技术学院,江苏 苏州 215006)

随着全球气候问题的日趋严峻和不可再生能源的急剧消耗,人们对于清洁、可再生能源的需求日益提高,世界各国都在积极探索未来能源转型发展路线,加快开发可再生能源．地热就是其中一种极具优势的可再生清洁能源．在我国,对于地热的开发利用,尤其是利用地热供暖、制冷的地源热泵已经形成了一个快速发展的新型的产业．目前地源热泵技术已在房地产业有了很好的应用．

地热是来自地球内部的一种能量资源,即地球内热．它来源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变,还有极少部分能量来自于太阳．地热资源(又称为地能)是指地球内热中,以现有的经济技术水平可以被人类开发利用的部分,包括地下水、土壤或地表水等．按照空间和赋存状态,地热资源可分为:浅层地热资源、水热型地热资源、干热岩地热资源．[1]本文简单介绍利用地热资源制冷、供暖、提供热水的高效节能空调技术——地源热泵技术．

1 地源热泵的发展历史

国外的学者和企业对于地源热泵的技术进行了较早的研究,其发展历史大致可分为3个阶段: (1) 提出阶段．早在1912年,瑞士人Zoelly就在一项专利中提出了地源热泵的相关技术的设想,二战结束后相关研究开始兴起,但由于当时化石能源价格低廉、储量丰富,因此没过多久这项研究就被搁置了．(2) 发展阶段．1973年“能源危机”出现,可再生能源的需求开始攀升,欧美国家开始大力研究地源热泵技术,在政府的支持下,经过一系列试验和计算机模拟,形成一套完备的理论基础,但由于当时技术受限,地源热泵并未大范围推广使用．(3) 高速发展阶段．20世纪末,地源热泵技术设备趋于完善,欧美国家开始大力推广地源热泵的应用．

我国对于地源热泵的研究起步较晚,基本可分为3个阶段: (1) 起步阶段(20世纪80年代—21世纪初)．地源热泵概念开始是引起暖通空调技术界人士关注,之后相关的设计人员、施工人员、集成商、产品生产商等也逐渐被这个概念所吸引,但相关技术并不完善,并没有被市场接受．(2) 推广阶段(21世纪初—2004年)．地源热泵应用逐渐广泛,相关科学研究也活跃起来,但因缺少技术支持、初期投资较高等,导致推广发展缓慢．(3) 快速发展阶段(2005年—至今)．随着国家对节能减排的重视以及技术设备逐渐成熟,地源热泵技术进入快速发展阶段．[2]

2 地源热泵的分类

(1) 传统地源热泵系统．

国际上根据地热能交换系统形式的不同,通常将地源热泵系统划分为以下3种.

① 地埋管地源热泵系统(又称土壤源热泵系统或大地耦合系统)．地埋管地源热泵系统的热源是岩土体．岩土体温度波动较小、热容量大、换热能力低,地表内的空气波动具有一定的延迟和衰减的作用,有助于进行热汇,稳定性较高,因此应用范围很广．但它占地面积很大,初期投资较高,热物性测试偏差较大,所以建筑密集区受空间限制严重．

② 地下水源热泵系统．地下水源热泵系统的热源是地下水．地下水水温波动较小,因为水的比热容高,所以换热能力很高,一般适用于地下水水量充沛、岩土体孔隙率大的地区．但地下水完全回灌能力差,维护量很大,并且潜水泵的耗能很高．

③ 地表水源热泵系统．相较于前两种地源热泵,地表水源热泵的占地面积最小,且换热能力较高,一般适用于地表水水体面积、深度较大,地表水流量、流速较高且水流稳定的地区．但这种热泵的区域性限制较大,易受水文环境影响,温度波动也很大,换热设备易结板,导致寿命较短．[3]

(2) 复合式地源热泵系统．

由于传统地源热泵系统的诸多局限性,无法满足当前市场需求,因此复合式地源热泵系统得到了快速发展．复合式地源热泵系统作为新形式,具有多热源协同互补、蓄能调峰等特点,更加节能环保,经济社会效益更加显著．目前复合式地源热泵系统主要有以下两类.

① 地源热泵—太阳能复合系统．地源热泵—太阳能复合系统由地源热泵机组、地埋管系统、太阳能集热系统、末端系统4部分组成,其能量来源主要是太阳能和浅层地热能(图1)．太阳能作为一种清洁可再生能源,提供地源热泵压缩机需要的电能,与地源热泵系统结合节能效果优越．但地源热泵系统本身造价较高,太阳能集热器的造价也比较高,因此导致该复合系统初期投资较高,应用较少．

图1 地源热泵—太阳能复合系统示意图

② 冷却塔辅助冷却地源热泵系统．辅助冷却地源热泵系统是利用冷却塔作为系统的辅助冷源,由热泵机组、冷却塔、地埋管系统、末端系统组成(图2)．当冷负荷大于热负荷,且超过20%时,可采用此复合地源热泵,避免地埋管吸热量与放热量不平衡量加大．地源热泵的容量由冬季热负荷确定,夏季超出部分的冷负荷由冷却塔提供．在夏季利用冷却塔与地埋管换热器联合运行,可以减少对地下土壤的影响、加速土壤温度的恢复,实现冷却塔与地埋管都能高效运行．[4]

图2 冷却塔辅助冷却地源热泵系统示意图

3 地源热泵的工作原理

(1) 制冷机的工作原理．

图3 制冷机的工作原理

(2) 地源热泵的工作原理．

地源热泵的工作原理与制冷机类似,它是利用浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能空调设备． 通过输入少量的高品位能源(如电能),实现从低位热源吸收热量并与高位热源发生热交换,从而达到制冷或供暖的效果．目前使用较广泛和应用前景较好的地源热泵主要是地埋管地源热泵系统,它主要是由室内空调末端系统、热泵机组以及埋置于地下的地埋管换热系统组成．由于地表5m以下的岩土层常年保持相对恒定的温度,相对于地表来说具有“冬暖夏凉”的特点,因此可利用地源热泵系统通过地埋管内循环流体与岩土层的热量交换,实现制冷、供暖．在夏季制冷时,地能作为制冷的冷源,将岩土层作为排热场所,通过地埋管将从室内取出的热量释放到土壤中,再通过土壤的导热和土壤中水分的迁移把热量扩散出去,达到室内降温的效果．而在冬季供热时,地能作为热泵供热的高温热源,地源热泵系统利用地埋管获取地下热量为室内供热．[6]通常地源热泵消耗1 kW·h的能量,用户可以获得或被带走4 kW·h以上的热量．

地源热泵系统中最重要的部分就是地埋管换热系统,它直接影响到整个地源热泵系统的性能优劣．目前地埋管采用的材料主要是耐腐蚀的高密度聚乙烯管．采用的循环流体主要是水,也可添加其他特殊介质,如在特别寒冷的地区可以添加适量防冻液以防止循环流体冻结．对于埋管方式,有竖直埋管和水平埋管之分,但是由于水平埋管方式占地量大且挖掘工程较重,在土地资源紧张的公建建筑规划设计中很少使用,所以目前市场上主要采用竖直埋管方式,钻孔占地面积也较少．在竖直埋管换热器的埋管方式中,以U型埋管应用最为广泛(如图1、图2所示),规范埋管深度60-100 m左右．另外,随着埋管深度的增大,换热效果也会随之变好,当达到一定深度后,温度趋于恒定．但是由于费用的随之提高、不同地区土壤热物性差异、建筑物的需求等原因,具体埋管深度还要做具体考察．以苏州某地产项目为例,该项目总建筑面积约为9.4×104m2,最大建筑高度57 m．全项目生活热水集中由地源热泵热水系统提供,此工程采用钻孔垂直埋管,单U连接,共设计钻孔150个,钻孔间距5 m,地源孔垂直有效深度为80 m．[7]通过管路中的水循环,从浅层常温的地壤中获取或者散发的能量,供室内的采暖或制冷,能量通过一套低耗机组传输,以保证室内常年保持在人体舒适的温度和湿度．

4 地源热泵技术的应用及存在问题

地源热泵系统和毛细管顶棚辐射空调系统,是属于近年来运用到住宅中的一项新型节能科技,是高舒适度、低能耗的空调系统．毛细管系统概念和产品皆源自德国,发明人为德国贝卡公司的负责人,于1986年首次投入实际工程中,之后陆续用于欧洲众多高端商业建筑、政府大楼、别墅和医疗建筑中．科技住宅在房屋建造时,在混凝土楼板层中直接铺设盘管,以地源热泵充当冷热源,为毛细水管中的水进行降温或者加热,从而对室内的温度、湿度进行智能化的调控．毛细水管均匀分布,覆盖到每个房间,没有噪音、没有明显的吹风感．

地源热泵技术作为一种利用地热能的环保、节能空调技术,在近几年取得了快速发展,但目前的地源热泵技术理论及技术方面还有许多待研究的问题: (1) 初期投入较大,尤其地下打井埋管费用．另外,要达到良好的使用效果,建筑物的辅助部分,如新风系统、围护结构等的投入也比较大．(2) 从设计到施工的要求都比较高,并且后期维护的难度相对较大．(3) 地埋管管群热干扰及热堆积问题．针对于地埋管地源热泵系统,由于项目规模扩大,需要在有限的空间增大地埋孔数量,地埋管管群内换热器之间的热干扰直接影响系统的运行,使得系统可能无法满足建筑的供热需要,同时如果抽取和排放的热量长时间不对等,将会造成土壤温度严重失衡,长此以往系统不但不能达到节能的效果,运行费用还会提高,[3]土壤环境也会受到一定影响．

5 我国地热产业的发展趋势

随着国家“环境友好型、资源节约型”可持续发展道路的提出,未来我国地源热泵的发展趋势有以下几点: (1) 各种新型的地源热泵系统将会不断被开发并使用; (2) 土壤源、地表水源热泵的数量会增加,而相应的地下水源热泵数量会减少; (3) 地源热泵与蓄能系统相结合,针对系统配置、运行策略等进行研究,提高系统性能、降低装机容量、降低投资及运行费用．

工业发展依赖于能源的消耗,随着发展逐渐加快,对于能源的需求会越来越大,而由于石油、煤炭等化石资源的枯竭,可再生能源的开发利用越来越受到关注．地源热泵系统在利用可再生能源方面有着巨大的优势,对建筑物节能减排起着重要的作用．虽然对于地源热泵系统的理论研究和技术开发还存在着不少的问题,但随着理论的深入研究和技术的不断完善以及国家政策的支持鼓励,地源热泵的研究应用将会越来越广泛．