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地源热泵原理

随着空调设备的日益普及,建筑耗能量势必将迅猛增加,对大气环境的污染也将日趋严重。如何在建筑热舒适条件得到改善的条件下把建筑耗能量减下来,减轻对大气环境的污染,成了暖通界人士首要其冲需要解决的问题。现阶段,在保证使用功能不降低的情况下,我们应采取各种有效的技术和管理措施,把新建房屋建筑的能耗较大幅度地降下来,对原有建筑物有计划地进行节能改造,达到节省能源、保护环境和提高人民生活质量的目的[1].地源热泵作为一种有益环境、节约能源和经济可行的建筑物供暖及制冷新技术越来越受到关注。它是利用地下相对稳定的土壤温度,通过媒介质来获取土壤内冷(热)能量的新型装置,可一年四季方便地调节建筑内的温度。由于该制冷供热方式不存在能量形式的转换,几乎是一种能量的“搬运”过程,因而其能量转换效率高、运营成本低。

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同时,地源热泵系统也为改善夏热冬冷地区建筑热条件这个世界性难题提供了很好的解决办法;夏热冬冷地区,其七月气温比同纬度其他地区一般高出2℃左右,是在这个纬度范围内除沙漠干旱地区以外最炎热的地区;再加上这个地区水网地带多,十分潮湿,湿度常保持在80%左右,由于人体排汗难以挥发,普遍感到闷热难受。而一月的气温比同纬度其他地区一般要低8—10℃,而且湿度又高,达到73%~83%[6];这期间日照相对又较少,潮湿水汽从人体中吸收热量,因而阴冷寒凉。然而由于长江中下游地区是传统上的非采暖地区,居住建筑缺乏节能设计标准,建筑围护结构的保温隔热性能要比采暖地区差得多;夏季通常采用风冷空调来供冷,冬天人们往往又借助于高位能的电来采暖。因此,该地区的能量使用效率相当低。考虑到该地区夏季供冷天数和冬季供热天数相当,地源热泵系统可以充分发挥地下蓄能的特点,进行能量季节迁移,用最少的能耗获得较大的受益。

地源热泵的分类及其各自特点

地源热泵在国内也被称为地热泵,根据利用地热源的种类和方式不同可以分为以下三类:土壤源热泵或称土壤耦合热泵(GCHP),地下水热泵(GWHP),地表水热泵(SWHP)。

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土壤源热泵以大地作为热源和热汇,热泵的换热器埋于地下,与大地进行冷热交换。土壤源热泵系统主机通常采用水—水或热泵机组或水—气热泵机组。根据地下热交换器的布置形式,主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三类。

垂直埋管换热器通常采用的是U型方式,按其埋管深度可分为浅层(<30m),中层(30~100m)和深层(>100m)三种。埋管深,地下岩土温度比较稳定,钻孔占地面积较少,但相应会带来钻孔、钻孔设备的经费和高承压埋管的造价提高。总的来说,垂直埋管换热器热泵系统优势在于:(1)占地面积小;(2)土壤的温度和热特性变化小;(3)需要的管材最少,泵耗能低;(4)能效比很高。而劣势主要在于:由于相应的施工设备和施工人员的缺乏,造价偏高。

水平埋管换热器有单管和多管两种形式。其中单管水平换热器占地面积最大,虽然多管水平埋管换热器占地面积有所减少,但管长应相应增加来补偿相邻管间的热干扰。水平埋管换热器热泵系统由于施工设备广泛使用而且施工人员易找,又加上许多家庭有足够大的施工场地,因此造价就可以减下来。除需要较大场地外,水平埋管换热器系统的劣势还在于:运行性能上不稳定(由于浅层大地的温度和热特性随着季节、降雨以及埋深而变化);泵耗能较高;系统效率降低。

蛇行埋管换热器比较适用于场地有限又较经济的情况下。虽然挖掘量只有单管水平埋管换热器20%~30%,但是用管量会明显增加。这种方式优缺点类似于水平埋管换热器,所以有的文献将其归入水平埋管换热器。

在冬季,地源热泵系统通过埋在地下的封闭管道(称为环路)从大地收集自然界的热量,而后由环路中的循环水把热量带到室内,再由装在室内的地源热泵系统驱动的压缩机和热交换器把大地的能量集中,并以较高的温度释放到室内。

在夏季,此运行程序则相反,地源热泵系统将从室内抽出的多余热量排入环路而为大地所吸收,使房屋得到供冷。

地源热泵:冬天不干燥、夏天不吹刺骨冷风,舒适度比一般空调高50%。供冷、供热、供生活热水。高效节能环保,在全世界得到大力推广。

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