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地埋管地源熱泵系統的優點和應用限制

發布日期:2016/10/8  來源:www.xcj9.com  點擊量:7
利用地源熱泵技術可以為建筑物提供冷量和熱量,達到降溫和供暖的目的。它的效益表現在以下幾個方面。
(1)地源熱泵利用清潔的電能實現供熱和空調,廢除了污染嚴重的中小型燃煤鍋爐。在大型的火電廠中,由于便于采用先進技術,不但能源的利用率提高,而且可以做到對有害氣體進行嚴格集中處理,使SO2, NOX的排放量大大減少,有效改善城市中的大氣環境。
(2)地源熱泵利用的能量是地殼淺層(200m以內)蓄存的熱量,是一種可再生能源。夏季熱泵將室內多余的熱量釋放給地下巖層蓄存起來,冬季再將其從地下抽取出來送到室內。這樣,熱泵進一步充分利用了地下巖土作為蓄熱體,能量循環利用,是一種可持續發展的建筑供熱空調新技術。
(3)機組效率高,節省運行費用。地下巖土的溫度全年比較恒定,在夏季地下巖土溫度比室外環境空氣溫度低,因此是熱泵很好的冷源。在冬季,地下巖土的溫度遠高于室外大氣溫度,地源熱泵的性能系數可高達4.0;也就是消耗1kWh的電能可以得到4kWh的供熱量。采用地源熱泵供暖的費用約為采用電鍋爐供暖的1/3。與空氣熱源熱泵及其它傳統空調方式比較,地源熱泵的效率要高20%~50%。
(4)傳統的空調系統通常需分別設置冷源(制冷機)和熱源(鍋爐)。地源熱泵既可供冷,又可供暖,一機多用,節約設備用房。采用地源熱泵供熱和供冷,一套系統代替了原來的鍋爐和空調兩套系統,夏季也省去冷卻塔;熱泵機組同時還可提供家用熱水。因此一機多用,節省了建筑空間及設備的初投資。
(5)有效地降低了電網在夏季和冬季因建筑空調和(南方)采暖的用電高峰負荷。
(6)由于可以取消建筑空調系統的鍋爐和冷卻塔,有利于美化建筑的外觀和環境。
 
地埋管地源熱泵系統的效率比空氣源熱泵高,而且不受地下水和地表水資源的限制,只需占用一定的埋管區域,對環境無污染,充分利用可再生能源,因此是一項值得大力推廣的新技術。應用地埋管地源熱泵技術也有它的限制條件。主要是:
(1)與傳統的鍋爐+冷水機組的供熱空調系統相比,或與空氣源熱泵系統相比,地埋管地源熱泵系統的初投資稍高,在發達國家尤其是如此。這主要是因為設置地埋管換熱器增加了初投資,特別是人工費用;而且埋管的費用與地質條件有關,在巖石或其他復雜地層中鉆孔的費用較高。在我國由于勞動力成本大大低于發達國家,再加上近年來充分的市場競爭,地埋管的施工成本已大大下降,地埋管地源熱泵系統與變頻多聯機(空氣源熱泵)的成本已基本相當或略低。此外,各級政府對應用地源熱泵實行了多種優惠政策,也進一步提高了地源熱泵系統的經濟性。
(2)設置地埋管換熱器需要一定的土地。在華北地區豎直埋管換熱器的需要的土地面積約為建筑供熱空調面積的10-15%。雖然這些土地在埋設地埋管換熱器后仍可用作綠化、停車場或運動場等,但在建筑高度密集的城鎮,埋管占地的因素仍成為應用地埋管地源熱泵技術的主要制約條件。我國的工程技術人員為解決地源熱泵系統用地緊張的困難,開發了許多獨特的技術,特別是在地下車庫的下面埋管的技術和在建筑樁基中埋管的技術。
(3)地源熱泵系統對系統全年冷熱負荷的平衡有一定的要求。在地埋管地源熱泵系統中地下巖土在全年起到蓄熱器的作用,對熱量夏蓄冬供。但在北方嚴寒地區,冬季供熱的負荷和時間遠大于夏季空調的負荷和時間,系統多年運行以后地下的平均溫度將逐年降低,影響系統的性能甚至使系統失效。在南方則相反,夏季空調負荷占主導地位,地下的平均溫度將逐年升高,同樣影響系統的性能。在冬冷夏熱的華北地區對供熱和空調都有較高的需求,地埋管換熱器中全年的冷熱負荷比較平衡,具有推廣應用地源熱泵技術的理想氣候條件。對于地下全年冷熱負荷不平衡的情況可采用地源熱泵復合系統。
應用地源熱泵技術的注意事項
由于地埋管地源熱泵技術應用于建筑供熱和空調時具有節能高效的特點,且對環境友好,特別是不影響地下水資源,因此近年來得到政府的大力提倡,應用規模日益擴大。由于這種供熱空調系統在中國還屬于新技術,整個產業還處于初創期但是又急速膨脹,因此整個地源熱泵產業的技術力量參差不齊,對技術的把握也有較大的差別。這就造成在地埋管地源熱泵的應用中也出現了一些不成功的案例。例如,有一些項目第一個冬季運行就出現停機保護而失效;也有一些項目的效率逐年下降,3-5年后不能滿足供熱空調的需求而失效。出現這樣的問題不是因為地源熱泵技術本身不成熟,而是這些項目的設計施工和運行管理不到位。一個原因是承包商為了低價競爭,鉆孔埋管的數量達不到要求;或者埋管施工中偷工減料,致使系統不能正常工作。另一個原因是對地源熱泵系統的特點沒有充分的了解。
地埋管地源熱泵供熱空調系統的工作原理實際上是利用地下巖土作為一個蓄熱器,把夏天空調排出的熱量蓄在地下土壤中,冬季取出熱量給建筑供熱;冬季運行時又把冷量蓄在土壤中,提高了夏季制冷時的效率。這種冬夏兩用的特點本來是地源熱泵系統的一大優點,但也成為它的一個限制條件,就是要考慮地下埋管換熱器在全年中冷熱負荷的基本平衡。如果全年中從地下取熱大于向地下的排熱,地下埋管周圍的平均溫度就可能逐年下降,造成系統在冬季工況的效率逐年下降,最后甚至不能正常工作。反之,在南方氣候溫暖的地區,如果一年中向地下的排熱大于從地下的取熱,也可能造成地下溫度的逐年升高,影響系統夏季工況的運行。我們山東省夏天熱、冬天冷,供熱和空調都需要,本來是應用地源熱泵技術的最適合的地區。但是山東的住宅建筑,特別是在像青島、煙臺等夏季較涼快的地方,建筑冬季供熱所需的熱量還是比夏季空調排出的熱量多很多,有一定的冷熱不平衡的問題。還有一些開發商希望開發的房子只解決供熱問題,把供冷的問題留給住戶自己用分體式空調解決。在這樣的建筑中采用地源熱泵系統就會引起的地下全年冷熱負荷嚴重的不平衡。在山東已經有一些這樣的系統在運行幾年之后發現性能下降,甚至失效。因此在單供熱的建筑中采用地源熱泵技術是不經濟、不合適的。對地下冷熱負荷不平衡度較大的地源熱泵項目,現在已經開發了一些技術措施,可以采用例如太陽能或燃氣鍋爐輔助的地源熱泵的復合系統。
總之,采用地源熱泵技術時應對建筑負荷和地埋管換熱器進行正規的計算和設計,同時應委托有資質和有技術實力的承包商實施地埋管地源熱泵供熱空調工程。這樣,地源熱泵這個節能環保的新技術一定能為山東的節能減排做出重要的貢獻。 
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