一、地源熱泵技術(shù)的原理
地源熱泵是以地?zé)嶙鳛闊岜醚b置的熱源或熱匯來對建筑進(jìn)行采暖或制冷的技術(shù)。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），即可實(shí)現(xiàn)低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹臒崃哭D(zhuǎn)移。在冬季和夏季，分別將地?zé)崮茏鳛楦邷責(zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩矗诙緦⒌責(zé)?ldquo;取”出來用于采暖或熱水供應(yīng)，在夏季將室內(nèi)的熱量提取后釋放到地層中去。地源熱泵最早源于1912年瑞士的一個(gè)專利，而其真正意義上的商業(yè)應(yīng)用迄今也不過十多年，但是到2001年止，美國已達(dá)到了每年安裝40萬臺地源熱泵，可降低溫室氣體排放100萬噸，年節(jié)約能源折合4.2億美元。我國政府也在積極推廣運(yùn)用這項(xiàng)“綠色技術(shù)”，以減少煤耗、節(jié)約一次能源和改善環(huán)境。
地源熱泵可以直接提供生產(chǎn)生活熱水和用于采暖，也可以與電節(jié)能熱泵和直接加熱設(shè)備鍋爐等聯(lián)合使用，對減少一次能源用量、環(huán)保和緩解用電峰谷差等都有好處。根據(jù)地源熱泵所采用熱源熱匯的形式不同，可將其大致分為大地耦合式熱泵（GCHP）、地下水熱泵（GWHP）和地表水熱泵（SWHP）。
二、大地耦合熱泵
大地耦合熱泵就是以地表淺層的土壤作為熱源或熱匯，它與傳統(tǒng)的空氣熱泵（ASHP）相比，具有很多優(yōu)勢：（1）相對于地表的空氣和水來說，一定深度地下土壤的溫度全年波動較小，加上土壤對地表空氣溫度的波動具有延遲和衰減，因此在大多數(shù)情況下，比空氣更適合作為熱泵裝置的熱源和熱匯，且能保證系統(tǒng)以較高的效率運(yùn)行。（2）土壤作為熱源和熱匯，可以全部或部分的取代傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中的冷卻塔和鍋爐，以減少對環(huán)境的“熱污染”和空氣污染。（3）與空氣熱泵相比，大地耦合熱泵不存在除霜問題，且回收土壤的熱量不需要風(fēng)機(jī)，可以使系統(tǒng)的噪聲等級下降。（4）土壤本身是個(gè)巨大的蓄熱蓄冷體，因此大地耦合熱泵可以和太陽能集熱裝置結(jié)合起來，通過土壤的蓄、放熱獲得更好的供熱、制冷效果。當(dāng)然，大地耦合熱泵也有一些缺點(diǎn)。（5）土壤的傳熱性能欠佳，需要較大的傳熱面積，導(dǎo)致占地面積較大。（6）在地下埋設(shè)管道成本較高，運(yùn)行中若產(chǎn)生故障也不易檢修。（7）土壤受熱干燥后，其導(dǎo)熱能力顯著下降，夏季難以向外排熱，成為不可逆運(yùn)行（夏季不需制冷的地域是可行的）。
�。ㄒ唬┲苯邮胶烷g接式大地耦合熱泵
大地耦合熱泵根據(jù)其蒸發(fā)器端與大地?fù)Q熱形式的不同，分為通過熱泵工質(zhì)－水換熱器的間接式系統(tǒng)，及采用熱泵工質(zhì)在埋于地下的盤管中直接膨脹的直接式系統(tǒng)。在間接式系統(tǒng)中，載冷劑或鹽水溶液被用來在熱源和蒸發(fā)器間傳遞熱量，它與直接蒸發(fā)系統(tǒng)相比具有一定優(yōu)點(diǎn)：減少了制冷劑沖灌量，還增加了熱泵系統(tǒng)的靈活性，同時(shí)可使現(xiàn)場工程量降到最低并減免了制冷管路的安裝；但其缺點(diǎn)在于：引入帶有熱交換器的額外流體環(huán)路，增加了初投資，也帶來額外溫降。需要針對運(yùn)行工況優(yōu)化設(shè)計(jì)鹽水回路，此外用于載冷劑的流體性質(zhì)也很重要。在直接蒸發(fā)系統(tǒng)中，將蒸發(fā)器盤管直接埋入地下，可有效減少投資，尤其適合家庭熱泵系統(tǒng)，它的一種典型安裝方法是：使用一根或兩根并行的3/4″銅管，每根長90m，分為作為名義上兩缸或三缸壓縮機(jī)的地下盤管，這樣從地下抽熱比通常使用的間接式系統(tǒng)高。
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水平熱交換管的地下盤管由聚乙烯硬塑料管制成，并水平地敷設(shè)于土壤中。在這項(xiàng)技術(shù)中，管子的敷設(shè)深度和塑料管側(cè)間距是兩個(gè)重要參數(shù)。吸熱地面應(yīng)靠近待采暖的建筑物，土壤面積主要取決于土質(zhì)、含水量和該處的太陽照射時(shí)間。塑料管間距越小則熱利用效率越高，但熱交換管量增大、費(fèi)用上升，因此應(yīng)做技術(shù)經(jīng)濟(jì)性考慮。土壤中鋪設(shè)的管群最好分幾組，單根管長最好不超過100m，否則消耗的泵功率將過大。熱泵工質(zhì)一般采用鹽水溶液，即使在－15℃左右也不會凍結(jié)，低溫的鹽水溶液由土壤吸收熱量，然后傳給熱泵裝置的蒸發(fā)器，再通過熱泵過程，由冷凝器供給熱分配系統(tǒng)。此外，水平熱交換管還有回流式和串流式等不同的敷設(shè)方法，從傳熱效果看，后者的供液與回流管之間不存在熱交換，故對換熱有利，當(dāng)然，究竟采用何種方式應(yīng)視具體的土質(zhì)和地形而定。
垂直熱交換管就是其導(dǎo)管垂直安裝在土壤中。導(dǎo)管由內(nèi)外兩根管子組成。外管的下端封閉，內(nèi)管敞開，直徑較小。在徑向間距相同的情況下插在外管中。導(dǎo)管深度可達(dá)100m，并隨地質(zhì)、水文條件而變化。導(dǎo)管的材料除金屬外，也可采用聚乙烯塑料管。當(dāng)借助垂直導(dǎo)管吸取熱量時(shí)，將載熱劑經(jīng)內(nèi)管由上送至下，然后經(jīng)內(nèi)管和外管間的空間，再流回上方。在載熱劑向上流動的過程中就吸取了僅靠導(dǎo)管四周的土壤熱量。
總之，大地耦合熱泵的熱交換效果與砂土類型、含濕量、成分、密度和是否均勻緊貼換熱面有關(guān)。管材、沙土及地下水的腐蝕作用將影響傳熱和使用壽命。
�。ㄈ┐蟮伛詈蠠岜糜写鉀Q的技術(shù)問題
大地耦合熱泵是節(jié)能環(huán)保型暖通空調(diào)技術(shù)，但還有許多有待解決的問題。大地耦合熱泵的顯著特征是用地下埋管換熱器來回收土壤熱源，該換熱器的傳熱將受到地區(qū)氣候和土壤等因素的影響。土壤溫度的分布，不僅是確定地下埋管總傳熱系數(shù)的基礎(chǔ)，而且也決定著大地耦合熱泵的火用效率水平，反映出投資的回收年限、占地規(guī)模大小以及該地區(qū)適于何種地下埋管形式，最終決定該地區(qū)是否適合采用大地耦合熱泵。因此，針對不同地區(qū)的土壤環(huán)境條件，應(yīng)采用不同的埋管深度和布置形式，這樣能產(chǎn)生不同的埋管傳熱效果。因此，如何進(jìn)一步強(qiáng)化地下盤管的傳熱過程、探討和開發(fā)新型換熱器的結(jié)構(gòu)形式，以及土壤特性對埋管換熱的影響機(jī)理和計(jì)算機(jī)輔助模擬試驗(yàn)、制冷劑及載冷劑替代等尚有待研究。 |