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利用地源热泵开发浅层地热能前景广阔
发布时间:2011-9-15  

利用地源热泵开发浅层地热能前景广阔

  地源热泵系统是一种利用地球浅层地热资源进行供暖和制冷高效节能的空调系统。在当前国际社会比以往任何时候都更加关注节能减排、环境保护、可持续发展的大背景下,在我国以建设资源节约型、环境友好型社会的主旋律下,地源热泵这一有着近百年历史的技术,以其环保性与节能性统一的显著优势受到各界的青睐,并呈迅猛发展态势,广泛应用在办公楼、宾馆、学校、宿舍、医院、饭店、商场、别墅、住宅等领域。 (本专题组稿得到了国务院原参事王秉忱大师的指导,特此致谢!)

  优势

  ——属可再生能源利用技术,生态环境效益显著。地源热泵的污染物排放,与电供暖相比,减少70%以上,如果结合其它节能措施,节能减排效果会更明显。

  ——运行效率高,维护费用低。由于地能或地表浅层地热资源的温度相对稳定,这种温度特性使地源热泵系统比传统空调系统运行效率要高40%,运行费用可节约30%—40%。地源热泵系统运动部件比传统空调系统少,安装在室内,因而可减少维护费用。

  ——一机多用,应用广泛,使用寿命长。地源热泵系统可供暖、制冷,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统,寿命长,平均可运行20年以上;可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑。

  ——节省空间。地源热泵的换热器埋在地下,可环绕建筑物布置;可布置在花园、草坪、农田下面或湖

  泊、水池内;也可布置在土壤、岩石或地下水层内,还可在混凝土基础桩内埋管,不占用地表面积。

  问题

  专家指出,尽管地源热泵是一种高效节能的环保技术,发展势头令人鼓舞,也必须看到,它不是一种万能的技术,在工程建设中仍然面临诸多的问题。如:

  1:暖通空调技术与其它技术的配合。地源热泵技术是暖通空调技术与水文地质钻井技术相结合的综合技术,两者缺一不可,这要求工程组织者和工程技术人员能够合理协调,做好充分的技术经济分析。

  2:环境的影响。地源热泵空调系统钻井对土壤热、湿及盐分迁移的影响研究有待进一步深入,如何使不利因素减少到最小是必须考虑的问题。

  3:投资问题。并不是所有的地源热泵系统都是经济合理的,由于钻井费用可能占到整个系统初投资的30%以上,有些投资者可能会回到传统的空调形式。

  4:安装维修。目前地源热泵系统的安装费用较高,与电制冷、天然气热系统的500—800元/t,显然是高的,它的回收期是5—8年。

  5:岩土特性。岩土的特性随地点的变化而有所差别,在一个地区的研究结果可能完全不适用于另一地区,必须实地测试进行相应的修正甚至重新研究。

  应用现状

  当前,欧美一些发达国家在建筑节能及保护环境方面产业化应用地源热泵取得较好的成效;尤其是美国,使用地源热泵系统占全国总量的29%,而且安装每年以10%的速度在增长。在我国,地源热泵以其节能效益、经济效益、环境效益等综合优势展现了良好的市场前景,地源热泵工程几乎遍布全国各省市。

  前景

  地源热泵系统作为一项新技术,目前已取得很大发展,虽然有许多问题亟待解决,但应用前景广阔。目前,中国是世界上直接利用地热潜力最大的国家,名列世界第一,一方面中国国土辽阔,近地表低温地热资源丰富;另一方面,中国人口众多,采暖和制冷工业的基础相对薄弱,将来需求量极大。在地热直接利用领域,地源热泵将是最活跃的一项新技术项目,可能占地热直接利用总能量的70%以上。市场虽然巨大,但竞争相当激烈。

1.热泵的定义及原理

  在我国《暖通空调术语标准(GB50155-92)》中,对“热泵”的解释是“能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机”;在《新国际制冷词典(NewInternationalDictionaryofRefrigeration)》中,对“热泵”的解释是“以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统”。可见,热泵在本质上是与制冷机相同的,只是运行工况不同。其工作原理是,由电能驱动压缩机,使工质(如R22)循环运动反复发生物理相变过程,分别在蒸发器中气化吸热、在冷凝器中液化放热,使热量不断得到交换传递,并通过阀门切换使机组实现制热(或制冷)功能。在此过程中,热泵的压缩机需要一定量的高位电能驱动,其蒸发器吸收的是低位热能,但热泵输出的热量是可利用的高位热能,在数量上是其所消耗的高位热能和所吸收低位热能的总和。热泵输出功率与输入功率之比称为热泵性能系数,即COP值(CoefficientofPerformance)。

2.地(水)源热泵机组的工作原理

  是利用水与地能(地下水、土壤或地表水)进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源,冬季把地能中的热量“取”出来,供给室内采暖,此时地能为“热源”;夏季把室内热量取出来,释放到地下水、土壤或地表水中,此时地能为“冷源”。具有高效节能、经济环保、安全可靠、可自动运行等优点。

3.地源热泵同空气源热泵相比,有什么优点

  地源热泵同空气源热泵相比,有许多优点:(1)全年温度波动小。冬季温度比空气温度高,夏季比空气温度低,因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空气源热泵,一般可高于40%,因此可节能和节省费用40%左右。(2)冬季运行不需要除霜,减少了结霜和除霜的损失。(3)地源有较好的蓄能作用。

4.地源热泵系统的分类及其各自的优缺点

  1)Groundwaterheatpumps,GWHPs地下水热泵系统,也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。通过建造抽水井群将地下水抽出,通过二次换热或直接送至水源热泵机组,经提取热量或释放热量后,由回灌井群灌回地下。

  其最大优点是非常经济,占地面积小,但要注意必须符合下列条件:水质良好;水量丰富;回灌可靠;符合标准。

  2)(a)Horizontalground-coupledheatpump水平埋管地源热泵系统(b)Verticalboreholeground-coupledheatpump垂直埋管地源热泵系统。(a)和(b)两种方式都归属于Ground-coupleheatpumpsGCHPs(地下耦合热泵系统),也称埋管式土壤源热泵系统。还有另外一个术语叫Groundheatexchanger地下热交换器地源热泵系统。这一闭式系统方式,通过中间介质(通常为水或者是加入防冻剂的水)作为热载体,使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动,从而实现与大地土壤进行热交换的目的。

  对于垂直式埋管系统,其优点有:较小的土地占用,管路及水泵用电少,其缺点是钻井费用较高;对于水平式埋管系统,其优点有:安装费用比垂直式埋管系统低,应用广泛,使用者易于掌握,其缺点有:占地面积大,受地面温度影响大,水泵耗电量大。

  3)Surface-waterheatpumps,SWHPs地表水热泵系统。通过直接抽取或者间接换热的方式,利用包括江水、河水、湖水、水库水以及海水作为热泵冷热源。归属于水源热泵方式。

  其优点有:在10米或更深的湖中,可提供10℃的直接制冷,比地下埋管系统投资要小,水泵能耗较低,高可靠性,低维修要求、低运行费用,在温暖地区,湖水可做热源,其缺点有:在浅水湖中,盘管容易被破坏,由于水温变化较大,会降低机组的效率。

  4)Standingcolumnwellheatpumps,SCW单井换热热井,也就是单管型垂直埋管地源热泵,在国外常称为"热井"。这种方式下,在地下水位以上用钢套作为护套,直径和孔径一致;地下水位以下为自然孔洞,不加任何固井设施。热泵机组出水直接在孔洞上部进入,其中一部分在地下水位以下进入周边岩土换热,其余部分在边壁处与岩土换热。换热后的流体在孔洞底部通过埋至底部的回水管被抽取作为热泵机组供水。这一方式主要应用于岩石地层,典型孔径为150mm,孔深450m。

  该系统适用于岩石地质地区,该地区岩石钻孔费用高,而与岩石直接换热,大大提高换热效率,节省钻孔、埋管费用。须得注意分析具体地质情况,做好隔热、封闭、过滤、实际换热量测算等具体工作。

  5)锅炉/冷却塔与地下埋管相结合的混合型地源热泵系统:适用于空间小,不能单独采用地下埋管换热系统的建筑或内外分区冬季有大量可利用的排热的建筑物,冷却塔和闭环式系统相结合制冷,节省成本;事实证明该系统是高效率、低费用的。

  它的补充热源有水地源、太阳能、电锅炉、城市热网……,额外排热由冷却塔或水地源来解决。其系统的设计需要详细计算各季节的散热与排热及总的中和后的散热或排热量来选择热源和冷却塔。 地源热泵钻井

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