1、地源热泵的发展综述摘 要本文主要描绘了地源热泵的发展综述 其中主要以地源热泵的发展 地源热泵对环境的影响、低温地热水源热泵的供暖技术以及在建筑节能方面的新技术等方面作了大致的介绍,并且作出了如何解决这些不良影响的方案。同时，对目前大家比较关注的应用较多的土壤源热泵、水源热泵的系统形式及分类等情况作了一些简单分析。 关键词： 地源热泵； 水源热泵； 土壤源热泵； 绿色建筑； 环保节能 ABSTRACTThis paper mainly describes the development of ground source heat pump were mainly to heat pump gro
2、und source heat pump, the influence of development on the environment of low temperature geothermal water source heat pump heating technology as well as in the construction of energy-efficient new technology to make a general introduction to, and how to resolve these adverse effects of the program.
3、At the same time, ground source heat pump, water source heat pump on the application of more now everyone is focused on the systematic and classification for some simple analysis.KEY WORDS：Ground source heat pump; water source heat pump; ground 11 引言地源热泵被认为是一种高效、节能、环保、有利于可持续发展的先进技术,它是利用地下浅层地热资源(也称地能
4、,包括地下水、土壤或地表水等)既可供热又可制冷的高效节能系统,通过输入少量高品位能源(如电能)实现低温位热能向高温位的转移。与传统的空气源热泵相比,地源热泵的制冷、制热系数要高出 40%左右,其运行费用为普通中央空调系统的 50%60%。因此,近十几年来,地源热泵空调系统在美国、加拿大、瑞士、瑞典等发达国家取得了较快的发展。可以预计,该项技术将会成为 21 世纪最有效的供热和供冷空调技术1。2 地源热泵的应用对环境的影响地表水源热泵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、水库以及海水在内的水源作为热泵机组的冷热源。2.1 破坏水体生态环境地表水源热泵利用地表水作为冷热源,在规
5、模化应用过程中会有大量的冷量和热量排入地表水体中。尽管水体流动会产生扰动,但排热(冷)还是可能对特定区域的水体温度场分布产生影响,进而对水环境造成一定的污染。例如水温升高,会降低水中的溶解氧含量,加速有机污染物的分解,增大耗氧量;水温的升高会使水体中某些毒物的毒性提高,加速某些细菌的繁殖,助长水草丛生、厌气发酵、散发恶臭2。这对鱼类的影响很大,甚至会引起鱼类的死亡。2.2 地质问题在地下水源热泵实际工程应用中,往往不能实现 100%的回灌。地下水总体供给的不平衡将会导致地下含水层水位下降,进而使土层中孔隙水压力降低,颗粒间有效应力增加,导致地层压密,造成地面沉降。对于砂层压密而造成的地面沉降,
6、水位恢复后砂层将回弹,沉降易消除,所引起的地面沉降为暂时性的。对于粘性土层,水位恢复后,土层回弹不大,所引起的地面沉降将是永久性的3。若地下水不能及时回灌或回灌量不足,致使地下水位持续下降,则可能造成地面沉降;若沉降量2较大或差异沉降过大,可能导致地面建筑物受损或破坏。在我国浙江、江苏和整个华北平原,地下水的过度抽取经常会引起地面沉降;在湖北武昌也发生了多起因地下水不合理使用而导致岩溶地面塌陷的事件4。地面沉降除对地面的建筑设施产生破坏作用外,还会产生海水倒灌、河床升高等其他环境问题。3 土壤源热泵的研究基础及对环境的影响3.1 土壤的热物性分析地球这个庞大的物体主要由地壳、地幔和地核等几大部
7、分组成.土壤源热泵所处的位置是在地壳中的浅层地表土壤(地表活动层)中,其温度的变化主要受太阳辐射和大气温度的影响,在这一区域内,若忽略某些因素的影响,其温度的变化可用下式表示5T/ t=T( 2T/ X2) (1)式中 T 为土壤的温度;t 为变化的时间, h;X 为土壤层深度,m;T 为土壤的热扩散系数:m 2/h.根据众多的测试分析表明,在同一土壤热物性情况下同一深度的土壤层内,其温度的日变化和年变化可视为一种余弦函数形式的谐波.表 1 列出了长沙地区实测地温数据6. 从表中不难看出：在地表最低温度,即大气温度最低,人类需要供暖时,而地下温度则是处于较高状态,便于利用地热供暖.当地表温度最
8、高,人类的生活环境需要降温时,地下温度则是处于较低状态,这对于调节人类室内的空气环境是非常有利的.3.2 土壤源热泵的应用分析根据气象部门对长沙地区从 1951 年到 1980 年的大气温度的统计7,长沙大3气的最低温度为-11. 3 ,最高温度为 40. 6.若最低温度为 11 月,最高温度为 7月,如此时使用在土壤层深度为 3. 2m 处的冷(热)量采集器采集冷( 热)量,其传递温差 t 分别为 29. 5和 21. 5.完全能够满足冷 (热)量传递的温差要求.3.3 土壤源热泵的应用对环境的影响由于我国北方地区冬夏两季采暖、空调时间不一致,土壤源热泵的使用会导致冬季从土壤中的吸热量大于夏
9、季向土壤的排热量,进而出现土壤的冷热不平衡问题,系统常年使用就会使土壤温度逐年降低。相反在我国南方地区,由于夏季制冷负荷大,使用周期长,长期单一采用土壤源热泵系统会使岩土温度升高。在长江流域的夏热冬冷地区由于同时存在制冷和冬季采暖的要求,因此只要土壤源热泵系统设计合理,可以很好地解决热平衡问题8。李魁山模拟了上海地区不平衡率3%下系统运行 5 年后土壤平均温升为 2.77 ,供冷季运行 5 年后土壤温升为8.399。所以在供热、供冷不均衡的地区长期使用土壤源热泵,将会破坏地层原有的温度环境。3.4 研究结果分析根据前面的土壤热物性分析和土壤源热泵设置的装置,进行多个数据的巡回检测,所得的结果用
10、 VCMei 的计算数学模型13进行数据整理,其检测整理结果如图二所示.此图为 9 月的长沙,采集器埋在 1. 6m 深的土壤层的位置,此点的土壤温度为 25. 2.送入采集器的介质流量为 0. 36 m3/h,采用 1500W 电加热器加热,使介质平均温度保持在 32. 59.经冷(热)量采集器后的介质平均温度为 29. 03,介质平均降温为 3. 56,而且与该土壤层的温差为 3. 83,其热( 冷)量传递效果较好.4图二4 解决方案4.1 地表水源热泵目前有关地表水源热泵的应用对环境影响方面公开发表的研究成果很少,所制定的相关政策更是少之又少。国内外海洋环境学家从 20 世纪 40 年代
11、开始就有关电厂温排水对附近水域的影响做过很多的调查和研究10、11,所以相关的研究方法和成果可以用来借鉴。为了减轻电厂温排水对环境的冲击,大多数国家对排水温度进行了限制,如英国于 1961 年提出最高排水温度的规定和措施,法国在 70 年代的环境法中规定河水温度不得超过 30 ,原苏联在卫生立法纲要中规定温排水引起的受纳水体温升夏季不得超过 3 ,冬季不得超过 5。1988 年 6 月 1 日起我国实施了地面水环境质量标准,规定中华人民共和国领域内江、河、湖泊、水库等具有适用功能的地面水水域,人为造成的环境水温变化应限制在夏季周平均最大温升不大于 1 ,冬季周平均最大温降不大于 212。4.2
12、 土壤源热泵对存在冬夏两季从土壤中吸排热不平衡的地区,应对地源热泵系统辅以其它冷热源。在北方地区,冬季可辅以锅炉或太阳能集热器来平衡埋管换热器多向土壤吸取的热量;在南方地区,平衡夏季向土壤排热量可以采用辅助冷却塔散热 ,或5利用建筑周围的景观喷泉或者地表水来消除峰值负荷;也可以选取带热回收功能的机组,通过利用制冷机的冷凝废热来制取生活热水而减少系统对土壤的热排放13。5 低温地热水源热泵的供暖技术5.1 水源热泵的工作原理地热资源是一种清洁能源。就目前的利用方式来说,其成本较高,而且技术难度较大。通过钻深井寻找地热资源是不经济的。作为浅层地热利用的水源热泵技术,是利用浅层低品位地层能源的一种有
13、效方式,也是国际上近几十年才发展的环保、节能高新技术14 。水源热泵技术是利用地球表面浅层水如地下水、地热水、地表水、海水及湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低位热能资源,并采用热泵原理,通过少量的高位电能输入,实现低位热能向高位热能转移的一种技术15。地热作为水源热泵的冷热源,冬季把地热中的热量取出来,供给室内供暖,此时地热为热源;夏季把室内热量取出来,释放到地下水、土壤或地表水中,此时地热为冷源。5.2 效益分析利用热泵直接供暖的运行费用较低,热泵通过消耗高品位的电能,把热量从低温热源转移的高温室内环境中,即热泵消耗少量的高品位电能,将产生 4 倍的低品位热能,能量转化效率很高。而燃油、燃
14、气锅炉供暖时,消耗的是一次能源,燃烧效率和锅炉效率都不可能是 100%,热损失较大。所以从能量转化的角度来看,热泵是一种高效的设备。但是从目前热泵、燃油锅炉、燃气锅炉的固定投资来看,热泵的初投资较大,从而造成热泵供暖的成本较高。但是由于热泵供暖的运行费用低,几个供暖期所节省的运行费用也可以抵消初投资多投入的费用。另外热泵机组可以兼顾夏季空调,投资一套装置可以冬夏两用,在投资上也有一定的优势。另外电价也是影响热泵供暖成本的重要因素,不同地区电价不同,也会影响热泵的推广应用。从环保节能效益来看,水源热泵不消耗一次能源,没有任何污染,是一种节能、环保型的供暖方式。另外热泵供暖和制冷装置无压力设备、无
15、燃烧、6无爆炸的危险,也没有废弃物,不需要堆放燃料废物的场地,取消了锅炉房、储煤场、堆灰场、消烟防尘设施等,且不用远距离输送热量。6 地源热泵在建筑节能方面的新技术国际能源机构16 以及美国17 、荷兰18和瑞士19的研究报告都得出结论：热泵是减少二氧化碳排放量的最经济有效的技术。现在全世界约有 1.3 亿台热泵在运行，每年减少二氧化碳排放量约为 1.3 亿吨。如果在建筑供热中热泵所占的比例能增加到 30%，在采用现有先进技术的条件下可以使全世界每年二氧化碳排放量减少 13 亿吨，占全世界二氧化碳排放量的 6%。随着热泵技术的进一步改进和发电效率的进一步提高，采用热泵技术供热使全世界二氧化碳排
16、放量减少 16%是有可能的。因此，它是建筑节能和减少二氧化碳排放的关键技术之一。除了减少矿物燃料的消耗以外，由于在大型电站中集中燃烧矿物燃料发电有利于采用先进技术除去或减少燃烧产物中的粉尘二氧化碳和二氧化硫等大气污染物，采用电动热泵供热与分散的锅炉房供热相比还可以大大减少燃煤产生的大气污染。热泵利用的低温热源通常可以是环境（大气、地表水和大地）或各种废热。应该指出，由热泵从这些热源吸收的热量属于可再生的能源。7 结论根据热泵所利用的地下浅层地热资源的不同，本文将地源热泵分为：土壤源热泵和水源热泵。分析了地源热泵的使用对环境的影响:地表水源热泵的使用不仅会缓解城市热岛效应,也会破坏水体原生态环境
17、; 地下水源热泵的使用导致地层塌陷等地质问题,也会导致地下水氧化、地下水污染等水文问题;土壤源热泵的使用会因冬夏季从土壤取热或供热不均衡会导致地层热不均衡等问题。文中对目前存在的一些解决方案进行了讨论。对于地源热泵在建筑节能方面的新技术有了进一步的阐述。7参考文献1机电信息调研组.2006 年全国中央空调市场总结报告( 第七部分水源/ 地源热泵市场总结报告).机电信息,2007,25:16-27.2张文宇,龙惟定.上海世博园地表水地源热泵的应用及环境影响分析 .暖通空调,2007,2(37):38-41.3机电信息市场部.水源/ 地源热泵发展是否过热?.机电信息.2007,25:9-15.4肖
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