地源热泵技术的利用及特点

地源热泵是利用地球表面浅层水源(如地下水、河流和湖泊)和土壤源中吸收的太阳能和地热能,并采用热泵原理,既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能),实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源,即在冬季把地能中的热量取出来,提高温度后,供给室1采暖;夏季把室内的热量取出来,释放到地能中去。通常地源热泵消耗lkWh的能量,用户可以得到4kWh以上的热量或冷量。

1912年瑞士的一份专利报告中,首次提出了“地源热泵”的概念。后来英、美两国提出了该项技术。1946年,美国第一台地源热泵系统在俄勒冈州的波兰特市中心区安装成功,但是没有引起社会广泛关注,所以在相关的技术和理论上都没有太大的发展。

世界第一次能源危机的出现和环境的恶化,在对新能源的开发和利用的背景下,地源热泵才受到广泛的关注。这时,北欧国家在政府的大力支持下,科技工作者加大了地源热泵的应用研究与开发力度。1974年起瑞士、荷兰和瑞典等国家政府资助的示范工程逐步建立起来,地源热泵生产技术逐步完善。20 世纪70年代后期,瑞典科学家开始研究地下开放式循环采热系统,但这一时期的技术相对粗糙,在应用上出现了很多实际的困难。

20世纪80年代,美国的地源热泵生产厂家十分活跃,成立了全国地源热泵生产商联合会,并逐步完善了安装工程网络。欧洲国家以瑞士、瑞典和奥地利等国家为代表,大力推广地源热泵供暖和制冷技术,国家政府采取了相应的补贴政策和保护政策,使得地源热泵生和使用范围迅速扩大,这促进了地源热泵技术的成熟。这一时期美国的地源热泵生产和推广速度很快,技术产生了飞跃性的发展,成为世界上地源热泵生产和使用的头号大国。

地源热泵真正意义的商业应用虽然已有二三十年的历史,发展相当迅速。如美国,截至1985年全国共有1.4万台地源热泵,到2000年有40万台,2004年达到67万台,205年已达到100万台。美国政府部门通过多年的调研把地源热泵列为国家公用计划。美国政府已经资助了十几项重大的地源热泵实验示范项目,并在全国大范围鼓励市政部门和公立学校、医院等率先安装地源热泵采暖和制冷系统。

在欧洲,瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源,地下土壤埋盘管(埋深小于400m)的地源热泵,用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1999年的统计。在家用的供热装置中,地源热泵所占比例,瑞士为96%,奥地利为38%,丹麦为27%。同时,中、北欧海水源热泵的研究和应用也比较多。

中国最早在20世纪50年代就曾在上海、天津等地尝试夏取冬灌的方式抽取地下水制冷,天津大学热能研究所吕灿仁教授就开展了我国热泵的最早研究,1965年研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。2006年,建设部颁布实施了《地源热泵系统工程技术规范国家标准》。沈阳作为国家建设部确定的地源热泵技术推广试点城市,到2010年底,实现全市地源热泵技术应用面积约占供暖总面积的1/3。

地源热泵系统主要分三部分:室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中地源热泵机组主要有两种形式:水-水式和水-空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递,地源热泵与地能之间换热介质为水,与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。地源热泵机组主要由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀四部分组成,通过让液态工质(制冷剂或冷媒)不断完成:蒸发(吸取环境中的热量)→压缩→冷凝(放出热量)→节流→再蒸发的热力循环过程,从而将环境里的热量转移到水中。压缩机起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用,是热泵(制冷)系统的心脏;蒸发器是输出冷量的设备,它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发,以吸收被冷却物体的热量,达到制冷的目的;冷凝器是输出热量的设备,从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走,达到制热的目的;膨胀阀对循环工质起到节流降压作用,并调节进入蒸发器的循环工质流量。根据热力学第二定律,压缩机所消耗的功(电能)起到补偿作用,使循环工质不断地从低温环境中吸热,并向高温环境放热,周而往复地进行循环。地源热泵系统如图所示。

(1)绿色清洁,经济高效。地源热泵通过消耗少量电能,可从土壤、地表水、地下水等浅层地热中提取4~6倍于自身所消耗电能的能量进行利用。与常规冷热源系统相比,地源热泵系统的能量利用效率整体可提高30%左右,大大减少了系统运行能耗和费用,而且除实现制冷、制热功能外,一套系统可同时实现生活热水的制取。

(2)运行稳定。由于浅层地热的温度相对稳定,热泵机组吸热或放热受外界气候影响小,其运行工况比其他空调设备更稳定,可避免常规空调当外界气温过高或过低时运行不稳定的问题。

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