地源熱泵系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

李 丹

（吉林建筑科技學(xué)院，長春 130111）

能源革命、低碳能源、清潔供暖目前已經(jīng)成為我國能源戰(zhàn)略的重要組成部分。根據(jù)《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》預(yù)測結(jié)果，“十三五”期間，我國的天然氣和非化石能源的消費(fèi)增量將達(dá)到煤炭消費(fèi)增量的3倍，約占能源全部消費(fèi)增量的68%[1-3]。

面對嚴(yán)峻的能源危機(jī)，國家大力支持低碳清潔能源的開發(fā)和利用，建筑行業(yè)領(lǐng)域也迎來能源革命。在建筑領(lǐng)域，地源熱泵系統(tǒng)作為一種使用清潔能源的采暖（制冷）系統(tǒng)，可以利用少量的高位能（一般為電能），將淺層的地?zé)崮苻D(zhuǎn)化為高位熱能。地源熱泵主要是將土壤所儲藏的龐大太陽能作為熱源，通過熱泵系統(tǒng)進(jìn)行能量的相互轉(zhuǎn)換，是一種實(shí)用的節(jié)能技術(shù)。

我國地域廣闊，四季分明，南北方氣候具有明顯的差異，太陽能在地域上分布不均衡。北方地區(qū)冬季氣溫低且持續(xù)時(shí)間長，供暖需求極大。目前只有北京等少數(shù)地區(qū)采用天然氣供暖，北方大部分地區(qū)仍然以燃煤供熱為主要采暖方式。燃煤采暖會生成大量溫室氣體，其對環(huán)境破壞極大。地源熱泵不使用煤炭作為主要供能方式，而是利用少量清潔的電能，從土壤中取熱，進(jìn)行供熱的能量轉(zhuǎn)換。過去，大氣溫度偏低，傳統(tǒng)的空氣源熱泵制熱效率就會降低，而地源熱泵消除了這一缺陷。南方夏季時(shí)間長，制冷需求比較大，與中央空調(diào)相比，地源熱泵的制冷效率更高。

1 地源熱泵的工作原理

1.1 地源熱泵及其種類

地源一詞的漢語內(nèi)涵十分廣泛，包括所有地下資源[4]。但是行業(yè)內(nèi)，這一詞語是指潛藏于地殼以下400m深度之內(nèi)的低溫地?zé)崮茉?。這部分能源主要自太陽能，還有很少的一部分來源于儲存于地球內(nèi)部的地?zé)崮?。地源熱泵系統(tǒng)由熱泵機(jī)組、地源能量交換系統(tǒng)及建筑內(nèi)系統(tǒng)組成[5]。依據(jù)地?zé)崮芙粨Q形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)主要分為兩種。即水源熱泵和土壤源熱泵系統(tǒng)。

1.2 地源熱泵工作原理

兩種地源熱泵系統(tǒng)存在一定的差別，但是其制冷及供暖原理大同小異，都是利用熱泵，采用熱交換的方法實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，滿足人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中的熱量（冷量）需要。

本文主要介紹了土壤源熱泵的工作原理，如圖1所示[6]。地下內(nèi)部土壤的溫度一般變化幅度較小，保持相對恒定，因此熱泵系統(tǒng)利用建筑物周圍深埋的埋管系統(tǒng)與地源（熱源或冷源）接觸，促成住宅內(nèi)部與地?zé)崮芡瓿蔁崃哭D(zhuǎn)換。土壤吸收了大量太陽能，熱量巨大而又不間斷，地下溫度場處于地下深層，地下溫度一年四季變化較小，季節(jié)對地下溫場的溫度基本不會產(chǎn)生影響，因而地下溫場溫度基本處于恒定狀態(tài)。冬季，地下溫度比大氣溫度高，而夏季又比大氣溫度低。土壤源熱泵就是利用地下溫度場的這一特點(diǎn)，冬季熱泵利用電能從土壤中取熱，將熱量傳輸給建筑物實(shí)現(xiàn)供暖；夏季熱泵又利用電能將溫度較高的室內(nèi)熱量排入土壤，為建筑物制冷。

圖1 熱泵原理

與傳統(tǒng)的冷水機(jī)組加鍋爐的配置相比，地源熱泵初期投資較高，但長遠(yuǎn)來看，全年可降低能耗40%左右，并且機(jī)房占地面積較小，耗水小，運(yùn)行費(fèi)用低，對環(huán)境無污染。熱泵系統(tǒng)一般由三組功能部件（熱泵主機(jī)、室外的地埋管換熱器和室內(nèi)空調(diào)機(jī)末端）和三套能量循環(huán)（室外的地源水循環(huán)、熱泵冷媒循環(huán)及負(fù)荷水循環(huán)）構(gòu)成。地埋管換熱器的主要作用是夏季向土壤排出熱量，作用類似于常規(guī)空調(diào)的冷卻塔；冬季從土壤中吸取熱量，功能類似于傳統(tǒng)燃煤采暖過程中的鍋爐。

圖2是土壤源熱泵的主要工作流程[7]。夏季，熱泵用作制冷機(jī)。此時(shí)，室內(nèi)溫度比土壤溫度高很多，土壤測作為冷源使用。在循環(huán)泵的作用下，該側(cè)換熱管中的循環(huán)水不斷流動，對冷凝器中的制冷劑進(jìn)行冷卻。房間末端系統(tǒng)的傳熱介質(zhì)在通過蒸發(fā)器后被冷卻，然后輸送給房間內(nèi)的換熱器，從而實(shí)現(xiàn)夏季制冷的效果。

圖2 熱泵工作流程

冬季，熱泵系統(tǒng)用作熱機(jī)。此時(shí)，室內(nèi)溫度比土壤溫度低，地源作為熱源。地源側(cè)埋管內(nèi)具有較高溫度的流動水，能夠?qū)φ舭l(fā)器中的制冷劑進(jìn)行循環(huán)加熱，然后使加熱后的制冷劑在蒸發(fā)器中進(jìn)行循環(huán)。冷凝器將用戶端系統(tǒng)的傳熱介質(zhì)進(jìn)行加熱，再輸送到換熱器，實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)供暖的目的。熱泵機(jī)組通過其內(nèi)部設(shè)置的四通閥，可以進(jìn)行功能切換。如果制冷機(jī)組內(nèi)部沒有設(shè)置四通閥部件，也可以通過機(jī)組外部連接管道上的閥門進(jìn)行切換。

2 地源熱泵的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國外研究應(yīng)用情況

早在1912年，地源熱泵這一說法就由瑞士人Zolly提了出來。1948年，世界上第一個(gè)地源熱泵系統(tǒng)在美國建成使用。1998年，美國的地源熱泵系統(tǒng)在商業(yè)建筑中的使用率已經(jīng)達(dá)到19%。其在新建建筑中的占比已達(dá)30%，并持續(xù)增長。除了美國，德國、法國等歐洲國家也廣泛應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)，主要利用淺層地?zé)豳Y源進(jìn)行供熱。

2.2 國內(nèi)研究應(yīng)用情況

20世紀(jì)80年代，我國才逐漸開始進(jìn)行地源熱泵技術(shù)研究。1988年，中國科學(xué)院廣州能源研究所主辦了“熱泵在我國應(yīng)用與發(fā)展問題專家研討會”。2000年，山東建筑工程學(xué)院建成了我國第一個(gè)地源熱泵研究所。2005年，地源熱泵成為建筑行業(yè)的十項(xiàng)新科學(xué)技術(shù)之一。2011年，針對水源熱泵應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生的水體惡化現(xiàn)象，同濟(jì)大學(xué)的宋應(yīng)乾等人展開了分析研究，并給出了可行性解決方案[8]。截至2012年底，我國已有4 000多家從事地源熱泵產(chǎn)品生產(chǎn)、施工與運(yùn)行保障等方面工作的企業(yè)，有2 300多個(gè)與地源熱泵施工、運(yùn)行相關(guān)的工程項(xiàng)目。地源熱泵及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模突破了324億元，應(yīng)用建筑取暖（制冷）面積將近2.4億m2。2015年，我國在上海舉行了一次地源熱泵展，有150多家企業(yè)參加展會[9]。最近幾年，由于國家的大力支持，地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣。“十三五”期間，國內(nèi)該系統(tǒng)的新增應(yīng)用面積將達(dá)到11×108m2[1-2]。

3 地源熱泵系統(tǒng)的問題

地源熱泵作為新型空調(diào)技術(shù)，其應(yīng)用對象包括學(xué)校、住宅小區(qū)、企業(yè)和各類公共建筑。但是，在地源熱泵系統(tǒng)的普及和發(fā)展過程中，有些人過多追求發(fā)展速度，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用存在較多問題。

3.1 設(shè)計(jì)地下?lián)Q熱器及計(jì)算換熱量的問題

在設(shè)計(jì)地源熱泵地下?lián)Q熱器時(shí)，由于環(huán)境和系統(tǒng)的復(fù)雜性，采用的土壤層特性、建筑冷熱負(fù)荷、熱容量和溫度分布規(guī)律等參數(shù)缺乏準(zhǔn)確性，容易使得系統(tǒng)規(guī)模大于實(shí)際需求，增加初始設(shè)備投資，或者系統(tǒng)規(guī)模過小，無法滿足建筑采暖制冷需求[10]。目前，地源熱泵的設(shè)計(jì)和應(yīng)用更多局限在理論方面，沒有很好地將理論與工程實(shí)際相結(jié)合。工程上，地埋管換熱器設(shè)計(jì)更多地以每延米換的熱量為依據(jù)，確定鉆孔數(shù)量。實(shí)際上，地埋管換熱器的設(shè)計(jì)埋管容量應(yīng)該考慮氣候、建筑物類型、冷熱負(fù)荷均衡性、鉆孔幾何參數(shù)和布置形式等多種因素的影響。同時(shí)，換熱器的負(fù)荷不斷變化，而僅僅采集幾十個(gè)小時(shí)的吸放熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定地埋管換熱器的實(shí)際換熱能力顯然是不科學(xué)的。

3.2 冬夏季節(jié)的熱量失衡問題

我國北方地區(qū)季節(jié)差異明顯，全年冷熱負(fù)荷差異較大，從整體來看，系統(tǒng)吸收土壤的熱量大于向土壤排出的熱量。這種不平衡的吸熱與排熱會造成土壤溫度逐年降低，產(chǎn)生“冷堆積”現(xiàn)象[10]。相反，南方地區(qū)建筑物對冷負(fù)荷的需求較大，夏季室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)和制冷機(jī)組等設(shè)備會產(chǎn)生大量熱量，使得夏季熱泵機(jī)組的產(chǎn)熱量遠(yuǎn)大于冬季室內(nèi)所需的熱量，會導(dǎo)致熱積累問題[10-11]。不論是“冷堆積”還是“熱積累”，都是系統(tǒng)的熱失衡問題，都會導(dǎo)致熱泵機(jī)組的運(yùn)行效率下降。

3.3 缺乏規(guī)范的系統(tǒng)運(yùn)行管理

地源熱泵系統(tǒng)需要數(shù)十年的長期運(yùn)行，但是目前國家還沒有出臺針對地源熱泵系統(tǒng)的管理和維護(hù)規(guī)范[12]。一般來說，系統(tǒng)管理人員并沒有接受相關(guān)專業(yè)的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，不能及時(shí)處理系統(tǒng)運(yùn)行問題，最終影響地源熱泵機(jī)組的正常運(yùn)行，無法高效利用資源。

4 結(jié)語

現(xiàn)代社會的高速發(fā)展離不開能源，而環(huán)境保護(hù)意識逐漸深入人心，可再生能源的利用成為能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，建筑節(jié)能問題也引起很多人的關(guān)注。本文簡單介紹了地源熱泵的工作原理，分析了其國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀和實(shí)際應(yīng)用存在的主要問題。但是，從長期來看，地源熱泵系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景，國家大力支持，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，未來，其勢必獲得更廣泛的利用。