積極利用可再生能源、節(jié)能降耗：論地源熱泵技術(shù)

曹興東

從地源熱泵應(yīng)用情況來(lái)看，歐洲國(guó)家主要偏重于冬季采暖，而美國(guó)則注重于冬夏雙工況運(yùn)行。由于美國(guó)的氣候條件與中國(guó)很相似，因此研究美國(guó)的地源熱泵應(yīng)用情況，對(duì)于我國(guó)地源熱泵的發(fā)展有著借鑒意義。地源熱泵技術(shù)原理分析，技術(shù)保障分析，節(jié)能分析。

蒸發(fā)器；冷凝器；原理；節(jié)能；技術(shù)保障

“地源熱泵”的概念最早于1912年由瑞士的專家提出，而該技術(shù)的提出始于英、美兩國(guó)。1946年美國(guó)建成第一個(gè)地源熱泵系統(tǒng)。但是這種能源的利用方式?jīng)]有引起當(dāng)時(shí)社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，無(wú)論是在技術(shù)、理論上都沒(méi)有太大的發(fā)展。過(guò)了幾年歐洲便開始了研究地源熱泵的第一次高潮，但由于當(dāng)時(shí)的能源價(jià)格低，這種系統(tǒng)初投資大并不經(jīng)濟(jì)，因而未得到推廣。直到20世紀(jì)70年代初世界上出現(xiàn)了第一次能源危機(jī)，地源熱泵技術(shù)才開始被受到重視，許多公司開始了地源熱泵的研究。這一時(shí)期，歐洲建立了很多水平埋管式土壤源熱泵，主要用于冬季供暖。雖然歐洲是世界上發(fā)展地源熱泵最成熟的地區(qū)，但是它也曾因?yàn)闊岜脤＜也欢惭b技術(shù)，安裝工人又不懂熱泵原理等因素，致使地源熱泵的發(fā)展走了一段彎路。

隨著科技的進(jìn)步，關(guān)于能源消耗和環(huán)境污染的法律越來(lái)越嚴(yán)格，地源熱泵的發(fā)展迎來(lái)了它的另一次高潮。以歐洲國(guó)家為代表，大力推廣地源熱泵供暖和制冷技術(shù)。政府采取了相應(yīng)的補(bǔ)貼政策和保護(hù)政策，使得地源熱泵生產(chǎn)和使用范圍迅速擴(kuò)大。

地源熱泵技術(shù)是一種利用地?zé)豳Y源（包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)設(shè)備，因此地源熱泵按照利用地?zé)豳Y源的情況大致可分為土壤源熱泵及水源熱泵兩種。地源熱泵能通過(guò)輸入少量的高品位能源（如電能），實(shí)現(xiàn)由低溫位熱能向高溫位熱能轉(zhuǎn)移。地?zé)豳Y源分別在冬季作為熱泵供熱的熱源和在夏季作為制冷的冷源，即在冬季，把地?zé)豳Y源中的熱量取出來(lái)，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量取出來(lái)，釋放到大地中去。通常地源熱泵消耗1kWh的能量，用戶可以得到4kWh以上的熱量或冷量，是能效比較高的節(jié)能設(shè)備。

1.地源熱泵技術(shù)原理分析

長(zhǎng)春卷煙廠地源熱泵技術(shù)概況。地源熱泵系統(tǒng)有兩個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)，一個(gè)是室內(nèi)端循環(huán)系統(tǒng)、一個(gè)是室外地埋換熱循環(huán)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的核心設(shè)備為主機(jī)系統(tǒng)，循環(huán)介質(zhì)為制冷劑冷媒。

目前我廠采用的是土壤源熱泵技術(shù)，利用地源熱泵主機(jī)的冷凝器、蒸發(fā)器的溫差實(shí)現(xiàn)制冷和制熱。我廠地源熱泵系統(tǒng)負(fù)荷面積約為26000平方米（綜合樓、聯(lián)合工房輔房），末端空調(diào)方式為風(fēng)機(jī)盤管、采暖為地板輻射（局部為散熱器），地源熱泵機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置有2臺(tái)意大利克萊門特雙工況螺桿式地源熱泵機(jī)組，單臺(tái)制冷量1163.6KW，單臺(tái)制熱量為1218.5KW。設(shè)置有一組利用動(dòng)力中心鍋爐排氣余熱的板式換熱器，可以為室外地埋側(cè)水循環(huán)系統(tǒng)補(bǔ)充部分熱能來(lái)提高地溫，同時(shí)考慮備用情況設(shè)置一套與地源熱泵系統(tǒng)并聯(lián)可切換運(yùn)行的汽-水換熱器，熱源為動(dòng)力中心提供的飽和蒸氣，換熱量為2047.5KW。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，室外地埋側(cè)換熱系統(tǒng)共分為A、B、C三個(gè)區(qū)，A區(qū)位于綜合樓西側(cè)，共計(jì)115個(gè)換熱孔，B區(qū)位于廠前區(qū)廣場(chǎng)西側(cè)，共計(jì)160個(gè)換熱孔，C區(qū)位于廠前區(qū)廣場(chǎng)東側(cè)，共計(jì)220個(gè)換熱孔，三個(gè)區(qū)共有495個(gè)換熱孔，孔深100米，孔內(nèi)為雙U型換熱管。機(jī)房?jī)?nèi)共設(shè)置3臺(tái)室內(nèi)側(cè)循環(huán)水泵和3臺(tái)地埋側(cè)循環(huán)水泵，均按2用1備方式設(shè)置，循環(huán)泵采用變頻控制。補(bǔ)水系統(tǒng)采用全自動(dòng)軟化水裝置、補(bǔ)水箱、落地式膨脹罐、補(bǔ)水泵的補(bǔ)水方式，利用檢測(cè)到的回水主管路的壓力變化，自動(dòng)控制補(bǔ)水泵啟停（低起高停），達(dá)到系統(tǒng)恒壓運(yùn)行的目的。

技術(shù)原理分析。冬季制熱時(shí)室內(nèi)端循環(huán)系統(tǒng)的水流經(jīng)主機(jī)的冷凝器、室外地埋換熱循環(huán)系統(tǒng)的水流經(jīng)主機(jī)的蒸發(fā)器；主機(jī)工作時(shí)，壓縮機(jī)將制冷劑循環(huán)壓縮，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)通過(guò)節(jié)流閥產(chǎn)生相變（由液體變?yōu)闅怏w）吸收熱量，室外地埋換熱循環(huán)系統(tǒng)水的熱量在蒸發(fā)器內(nèi)被提取出來(lái)，水溫降低，循環(huán)到室外地埋管換熱器中再?gòu)牡叵挛崃炕謴?fù)水溫；制冷劑在冷凝器內(nèi)通過(guò)壓縮機(jī)的壓縮再次產(chǎn)生相變（由氣體變?yōu)橐后w）釋放熱量，室內(nèi)端循環(huán)系統(tǒng)的水在此被加熱升溫，循環(huán)到室內(nèi)采暖系統(tǒng)散熱降溫后再次在冷凝器內(nèi)加熱；這一過(guò)程循環(huán)往復(fù)就實(shí)現(xiàn)了把土壤中的熱量提取出來(lái)，經(jīng)地源熱泵提升溫度供給室內(nèi)采暖。

夏季制冷時(shí)室內(nèi)端循環(huán)系統(tǒng)的水流經(jīng)主機(jī)的蒸發(fā)器、室外地埋換熱循環(huán)系統(tǒng)的水流經(jīng)主機(jī)的冷凝器；把土壤中的冷量提取出來(lái)經(jīng)地源熱泵降低溫度供給室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)。

夏季運(yùn)行時(shí)，通過(guò)冷凝器和室外地埋換熱循環(huán)系統(tǒng)將熱量存儲(chǔ)到大地中，供下一個(gè)采暖期使用。冬季則通過(guò)蒸發(fā)器和室內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)將冷量存儲(chǔ)到大地中，供下一個(gè)夏季使用。大地就是一個(gè)冷熱量存儲(chǔ)的“銀行”，資源取之不盡、用之不竭。

2.系統(tǒng)可靠性的技術(shù)保障分析

此系統(tǒng)設(shè)計(jì)前要進(jìn)行土壤的熱響應(yīng)試驗(yàn)，獲得可靠的數(shù)據(jù)后，使設(shè)計(jì)有準(zhǔn)確的依據(jù)，才可以保證室外換熱系統(tǒng)的有效換熱孔數(shù)量、深度等參數(shù)是否滿足冬夏需求。

地埋側(cè)系統(tǒng)最好采用優(yōu)質(zhì)的PE管及管件，嚴(yán)格按照施工規(guī)范施工，做好地埋成品管道的保護(hù)，如管溝內(nèi)回填一定量的中粗砂、交叉管之間鋪墊橡塑板、增加水平管的敷設(shè)深度等措施，達(dá)到進(jìn)一步改進(jìn)施工質(zhì)量的效果。

地埋側(cè)系統(tǒng)要分區(qū)加裝流量平衡閥，保證整個(gè)系統(tǒng)流量均衡、溫升溫降一致；每個(gè)區(qū)的水平主管道全部采用同程式連接，有利于水力平衡，換熱充分。

分、集水器檢查井合理設(shè)置，每一個(gè)分集水器的每個(gè)支路帶換熱孔數(shù)量不宜過(guò)多，一般在10個(gè)以下，如果一旦某個(gè)換熱孔出現(xiàn)問(wèn)題可以很方便的檢測(cè)到，并能保證換熱孔的安全性。

北方地區(qū)冬季漫長(zhǎng)，冬季從土壤中正常取熱量大于夏季向土壤中蓄熱量，長(zhǎng)期將造成土壤的熱平衡失衡，地溫逐年降低，造成“冰島”，影響系統(tǒng)的使用，這是地源熱泵系統(tǒng)在北方能否成功運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題，針對(duì)此問(wèn)題我廠采取了解決冷熱平衡的措施。

利用鍋爐的排煙余熱與室外換熱系統(tǒng)換熱，將熱量蓄積到土壤中。夏季可以與聯(lián)合工房的空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)通，高效的為生產(chǎn)工藝空調(diào)提供冷源，同時(shí)可以將熱量蓄積到土壤中。

3.節(jié)能體現(xiàn)及發(fā)展前景

總結(jié)起來(lái)看地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)較多，節(jié)能高效，穩(wěn)定可靠，一機(jī)多用，無(wú)環(huán)境污染，維護(hù)費(fèi)用低，使用壽命長(zhǎng)，機(jī)房系統(tǒng)節(jié)省空間，在能源消耗較大的當(dāng)今形勢(shì)下，積極利用可再生能源，體現(xiàn)節(jié)能降耗勢(shì)在必行，這是國(guó)家、社會(huì)、企業(yè)以及每個(gè)人的責(zé)任。

北方可以采用地源熱泵技術(shù)供給采暖、空調(diào)；源熱泵技術(shù)節(jié)能效果好。

[1]陸耀慶主編.適用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）

[2]曲云霞，張林華等.地源熱泵系統(tǒng)輔助散熱設(shè)備及其經(jīng)濟(jì)性能[J].可再生能源，2003.33