地源熱泵的工作原理

 1 地源熱泵介紹

    地源熱泵系統(tǒng)是一種利用地下淺層(通常＜400 m)地?zé)豳Y源( 亦稱為地能)，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地?zé)崮芏N藏的低溫位熱能) 、既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵通過輸入少量高品位能源(如電能)，實現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源，通常消耗1kW的能量，可以得到4kW以上的熱量或冷量。地源熱泵的優(yōu)點為投資回收快，提高城市環(huán)境品質(zhì)，緩解能源緊張。

    2 地源熱泵的分類

    根據(jù)利用地?zé)嵩捶N類和方式的不同，地源熱泵可分為三類( 圖 1) ，以下分別作簡單的介紹。

    2.1 地表水熱泵工作原理

    優(yōu)點: 比地下埋管系統(tǒng)投資小，能耗低，可靠性高，運行及維修費用低，在溫暖地區(qū)湖水可做熱源。缺點: 在淺水湖中盤管易被毀壞; 由于水溫變化較大，會降低機(jī)組的效率。

    2.1.1 開式系統(tǒng)(圖2)

    用水泵抽取地表水在熱泵的換熱器中換熱后再排入水體(直接利用地表水，水溫須達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn))。

    2.1.2 閉式系統(tǒng)(圖3)

    是指在地表水中為一組閉式循環(huán)的換熱盤管，該組盤管一般水平或垂直埋于地表水中，通過與地表水換熱來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。

    2.2 地下水熱泵工作原理

    優(yōu)點: 經(jīng)濟(jì)，占地面積小，只進(jìn)行熱交換，不消耗水資源。缺點: 水質(zhì)、水量須達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

    2.2.1 異井回灌(圖4)

    通過建造抽水井群將地下水抽出，進(jìn)行換熱或直接送至水源熱泵機(jī)組，經(jīng)提取或釋放熱量后，由回灌井群返回地下。

    2.2.2 同井回灌(圖5)

    熱泵機(jī)組出水直接在孔洞上部進(jìn)入，其中一部分在地下水位以下進(jìn)入周邊巖土換熱，其余部分在邊壁處與巖土換熱。換熱后的流體在孔洞底部通過埋至底部的回水管被抽取作為熱泵機(jī)組供水。這一方式主要應(yīng)用于巖石地層，典型孔徑為150 mm，孔深450 m。

    2.3 土壤耦合熱泵工作原理

    優(yōu)點: 土壤溫度波動較小，相對穩(wěn)定，具有良好的蓄熱效果。缺點: 鉆井費用高。

    2.3.1 封閉式垂直埋管(圖6)

    優(yōu)點: 占地面積小，管路及水泵用電少。缺點: 鉆井費用高。

    2.3.2 封閉式水平埋管(圖7)

    優(yōu)點: 安裝費用比垂直式埋管系統(tǒng)低，使用者易于掌握。缺點: 占地面積大，受地面溫度影響大，水泵耗電量大。

    2.3.3 單井循環(huán)系統(tǒng)(圖8)

    利用井內(nèi)水在井內(nèi)上下流動，與地下土壤進(jìn)行熱量交換，提取土壤的能量。

    3 地源熱泵的特點

    a) 屬可再生能源利用技術(shù)

    地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了 47%的太陽能量，這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。

    b) 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)運行效率要高 40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運行費用 40%左右。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

    c) 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減少 40%以上，與電供暖相比減少 70% 以上。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，且事先整裝密封好，制冷劑泄漏機(jī)率大為減少。該裝置可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒有燃燒，也沒有廢棄物，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。

    d) 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、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，均在 15 年以上; 機(jī)組緊湊、節(jié)省空間; 維護(hù)費用低; 自動控制程度高，可無人值守。

    當(dāng)然，地源熱泵的應(yīng)用會受到不同地區(qū)、不同用戶及不同國家的影響; 一次性投資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同; 采用地下水的利用方式，會受到當(dāng)?shù)氐叵滤Y源的制約。

標(biāo)簽: 地源熱泵井