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      詳解地源熱泵系統形式及其優缺點

        地源熱泵空調系統在我國還屬初級階段,需要因地制宜、統籌規劃、使用能量特點和水文地質條件相結合,逐步合理的推進地源熱泵空調技術,這樣才能有利于優化能源結構,在環保的前提下,提高能源利用效率。以下就為您詳細分析地源熱泵的系統形式及其優缺點。
        
        形式:
        
        1、水平式地源熱泵
        
        通過水平埋置于地表面2~4以下的閉合換熱系統,它與土壤進行冷熱交換。此種系統適合于制冷供暖面積較小的建筑物,如別墅和小型單體樓。該系統初投資和施工難度相對較小,但占地面積較大。
        
        2、垂直式地源熱泵
        
        通過垂直鉆孔將閉合換熱系統埋置在50M~400M深的巖土體與土壤進行冷熱交換。此種系統適合于制冷供暖面積較大的建筑物,周圍有一定的空地,如別墅和寫字樓等。該系統初投資較高,施工難度相對較大,但占地面積較小。
        
        3、地表水式地源熱泵
        
        地源熱泵機組通過布置在水底的閉合換熱系統與江河、湖泊、海水等進行冷熱交換。此種系統適合于中小制冷供暖面積,臨近水邊的建筑物。它利用池水或湖水下穩定的溫度和顯著的散熱性,不需鉆井挖溝,初投資z*小。但需要建筑物周圍有較深、較大的河流或水域。
        
        4、地下水式地源熱泵
        
        地源熱泵機組通過機組內閉式循環系統經過換熱器與由水泵抽取的深層地下水進行冷熱交換。地下水排回或通過加壓式泵注入地下水層中。此系統適合建筑面積大,周圍空地面積有限的大型單體建筑和小型建筑群落。
        
        近幾年來,地能開發取得突破性進展。地球表面水源和土壤是一個巨大的集熱器,收集來自太陽48%的能量,比人類每年利用能量的500倍還多。按換熱載體分區,地源熱泵空調主要有四種形式:一是地埋管地源熱泵;二是地下水地源熱泵;三是地表水地源熱泵(包括海水源,江湖河溪水或地表潛水);四是混合式地源熱泵。
        
        地表向下30~130米左右,一年四季的溫度是相對恒定的,一般在15~20℃左右。地源熱泵正是利用地能這一特性,通過消耗少量的電能,實現由低溫位向高溫位或由高溫位向低溫位的轉換,從而充分地利用地能。在冬天把低位熱源中的熱量轉移到需要供熱或加溫的地方,在夏天可以將室內的余熱轉移到低位熱源中,達到降溫或制冷的目的。
        
        優缺點:
        
        一、地源熱泵空調的優點
        
        從理論和能耗的角度上分析,地源熱泵空調技術利用儲存于地表淺層或地下的取之不盡的能源,成為可再生能源的一種形式。地源熱泵空調之所以節能,是因為其將土壤、地表水或地下水作為能源,在同等工況下,只需消耗約50%的能源,就可提供同等能量,比溴化鋰技術節能z*高可達65%;比蒸汽壓縮式節能z*高達40%;供熱工程相當于燃煤鍋爐的2/3。在系統運行時,由于不使用氟利昂、天然氣、汽油等冷媒和燃料,可以大大減少對臭氧層的破壞作用,減少CO,的排放。
        
        二、地源熱泵空調使用可能帶來的問題
        
        地源熱泵空調系統主要包括兩大部分:一是建筑物內的水環路空調系統;二是地源熱泵空調系統的地下部分,即地下耦合熱泵系統的地下熱交換器、地表水熱泵系統的地表水熱交換器、地下水熱泵系統的水井系統。
        
        (1)地表水熱泵系統:地表水溫度受氣候的影響較大,與空氣源熱泵類似,在利用深層河水、湖水、海水進行吸熱與放熱的地表水水源熱泵系統時,s*先必須強調的是水體要有一定深度,沒有5m深度的河流、湖泊、海域就不必考慮,一般來說,只有10m以下深度才有利用價值。對于屬于地源熱泵的水源熱泵機組,如果是流動的江、河、溪水,水溫合適的情況下,才可以使用。
        
        例如,武漢東湖等淺水性湖泊夏季水溫高于濕球溫度,無利用價值,冬季水溫略高于氣溫,可用作熱源水;寧波奉化江水7m深31.2℃,珠江底層31.8℃,江水熱污染很厲害,利用價值不大??衫瞄L江水作為地表水熱泵系統的熱源,但冬季江水水位很低,從取水的經濟性及防洪角度考慮,實際利用還是極難的。
        
        一定的地表水體能夠承擔的冷熱負荷與其面積、深度和溫度等多種因數有關,需要根據具體情況進行計算。這種熱泵的換熱對水體中生態環境有無影響應預先加以考慮。深水湖在夏季會產生溫度的分層,湖底保持較低的溫度;冬季湖面結冰后會限制湖水溫度的下降。從目前的實際工程情況來看,自然形成的淺水性湖泊受外界氣候或熱污染影響較大,因為是不流動的湖水,那就要看向湖水中排放的熱量能不能經過湖水的自穩定性恢復,如果不能恢復,就不能使用,否則改變湖水溫度,危及湖中生物;即使海邊的建筑可以考慮海水源熱泵,但一定要注意對洋流的影響,注意是否影響海洋生物的生存。
        
        工程所在地與設置地下水換熱器現場的距離超過500m的工程,必須認真進行全面的技術經濟比較分析。如果忽略其應用條件是否具備,在推廣地表水水源熱泵系統的同時,z*后可能導致河水、湖水、海水的水泵輸配能耗抵消在水源熱泵上所獲得的節能效益。
        
        為經濟可行地利用江、河、海水冷熱源,只能對江、河、海水作粗效預處理,以解決大量泥沙和懸浮物對流通面的阻塞問題,但水中依然含有小粒徑的固體物,將影響換熱器的流動換熱特性,這樣也增加了運行、保修的費用。
        
        (2)地下水地源熱泵(地表潛水)和地下水地源熱泵這兩種方式,是將含有地溫的水從井中抽取出來,取出熱后,再回灌到其它井中;或不抽取地下水,只采用地埋管的形式。國內很多大專院校進行了相關的埋地管的試驗研究和小型的工程應用,并建立了地埋管的傳熱模型。各地的地質條件不同,土壤的溫度和熱物性參數都不一樣,因此,地下水熱泵的應用還有待進一步的實驗驗證和實驗數據的積累。此外,這一淺層地能的采集技術涉及到開采利用地下水或地表水,有三個缺點:
        
        1)在抽水并回灌于其它井的同時,會造成井中砂的移動,當大量的井砂移出后,往往會造成抽水井的塌陷,同時也造成了回水井的堵塞,縮短了井的壽命;
        
        2)在多數地質條件下,很多工程實際上并未達到100%回灌?;毓嗑c生產井的數量配置和是否需要冬夏對調輪換,單井回灌是否合理有效,是否會破壞地下含水層等。井水的回灌往往不暢,易造成地下水資源的浪費,雖然抽水后有回灌井將抽出的水回灌,但這并不是一個完全可逆的過程,回灌后土壤中的水質和水量并不能與抽水前完全一致,大量地下水的抽取和回灌必然造成地下水位的不平衡,影響當地的地質構造,有可能危害地上的建筑物。
        
        3)地源熱泵機組要求全年冷負荷和熱負荷要基本均衡,這樣才不至于發生地下熱環境惡化,機組能效比降低甚至無法正常使用。在30~300m深的地下,只要其全年的總取熱量與總排熱量相等,就能持久地維持恒溫帶的狀態;如果把恒溫帶地層看作為“取之不盡,可不斷再生的低溫地熱資源”,可由深層的地熱資源或地表太陽能來補充,那就會犯原理性錯誤。
        
        實際上地下土壤、卵石與巖石的傳熱,地下含水層的熱遷移都是十分緩慢的,如果我們不遵守年熱平衡原則,倘若真的每年夏季累計向地下排放的熱量大于冬季累計吸取的熱量,即使該地區地下恒溫帶每年只升高0.5℃,10年后該地源熱泵系統就不能有效正常工作了。且口使使用地埋管地源熱泵,屬于閉式系統,但垂直埋管系統占地面積小,水系統耗電少,但鉆井費用高;水平埋管安裝費用低,但占地面積大,水系統耗電大。雖然沒有抽取地表水、地下水,但它改變了地內溫度,影響地質,甚至植物的生長。
        
        目前在我國,技術上相對成熟、利用可行性較大、實施的工程項目較多的是地下水熱泵系統。為迎合地源熱泵空調這門新技術,片面追求其節能效果,目前國內生產水源熱泵機組的廠家也已達到二、三十家。因為國內還沒有頒布水源熱泵機組的生產技術標準,國內廠家生產的產品質量差別較大,有些廠家的產品,技術參數不完整、不準確0很多生產廠家沒有實測手段,采用水源熱泵機組所需要的很多數據不能提供,甚至不排除某些技術力量差的廠家根本就沒有弄清楚水源熱泵機組和常規冷水機組的技術差異,直接就拿常規冷水機組來作為水源熱泵機組推銷到市場使用。這樣,既沒發揮水源熱泵機組的節能優勢,又破壞了環境。
        
        (3)有的地源熱泵空調工程在完工使用的初期進行地質勘測,得出結論表明地源熱泵空調對地質沒影響,但這樣的結論下得似乎過早。不設監測井,不對地下水的生產量、回灌量、水溫、水質、含水層厚度變化進行定期、持久的監測。打井公司只要能抽出設計所規定的水溫、水量的地下水后就算完成任務。對于地下水熱泵系統,能提供完整水文地質資料的極少,絕大部分工程投入運行后,根本沒有對地下水的基本參數進行定期監測,更談不上提供地下水遷移數據。
        
        水文地質分析和計算結果可以看出,只取水不進行有效回灌或回灌不慎造成地下水污染的都是極不負責任的行為,并且這種不負責任的行為造成的損失是無法挽回的,例如,天津唐沽地下水過量開采,導致海水滲透進去,對生態造成嚴重破壞;華北地區形成4萬平方公里的華北大漏斗;西安由于地下水過量開采,導致大雁塔傾斜近1m,并且形成十三條縱、橫向裂縫,長達50公里,鐘樓下陷135rot/1。
        
        我們不能忽視或有意淡化、掩蓋地源熱泵系統對城市地下水資源造成污染的可能,對周圍建筑與整個城市地層結構起破壞作用的可能,以及工程有可能失敗的風險性。在行政管理上,打井抽取地下水,地礦、國土資源、城市環保、自來水公司等部門似乎都有權管轄,全國至今都沒有一個統一的管理條例與組織來管理地下水的使用。少量的地源熱泵空調在不長的運行時期內,可能對地質影響不大,但如大量的地源熱泵空調長期的使用,則后果不難想象,也許人類在竭力減少對地球表面上的破壞的同時,已通過地源熱泵空調對地下進行破壞,而這種破壞一旦造成,可能更難修復。
        
        (4)從經濟和技術的角度看,建設地源熱泵系統,其地下部分無論是埋管、打井,還是設置湖泊、河流、海洋的水下換熱器或取水裝置,由于牽扯到為蓄能井選址必須進行土質和地下水勘探等一些專業性很強的作業,需要有一定的水文地質與海洋專業知識,這對于空調專業的技術人員來說,并不擅長;其地上部分,無論是建筑物的全年冷、熱負荷計算與全年分布規律,還是室內外的水系統設計,也絕非是水文地質、地礦勘探、海洋海港技術人員的專長。
        
        為了使地源熱泵系統健康發展,加強空調行業和水文地質、地礦勘探、海洋海港行業之間的溝通和合作極為重要。另一方面,為蓄能井選址進行的土質和地下水勘探等一些專業性很強的作業和大量的地下施工等,使投資規模加大,這就導致系統的造價和安裝費用高,成本回收周期長,也成為地源熱泵空調技術應用上的z*大的障礙。
        
        結語:

              類似“地源水經過熱泵機組后,只是交換熱量,水質幾乎沒有發生變化,經回灌至地層或重新排入地表水體后,不會造成對原有水源的污染”之類的說法應謹慎。如在廣東,廣州、深圳等地的氣候條件是夏季供冷時間很長,且冷負荷比較大,而冬季供熱需求量很少,冷負荷遠大于熱負荷,冷熱負荷很不均衡,如果沒有足夠的供熱需要,來抵消夏季的冷負荷,達到冷熱平衡,是不主張使用地源熱泵機組做冷熱源的。
      標簽: 地源熱泵  

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