地(水)源熱泵機組的工作原理

 

    是利用水與地能(地下水、土壤或地表水)進行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量“取”出來，供給室內采暖，此時地能為“熱源”；夏季把室內熱量取出來，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時地能為“冷源”。具有高效節(jié)能、經濟環(huán)保、安全可靠、可自動運行等優(yōu)點。

 

    地源熱泵同空氣源熱泵相比，有什么優(yōu)點

 

    地源熱泵同空氣源熱泵相比，有許多優(yōu)點：(1)全年溫度波動小。冬季溫度比空氣溫度高，夏季比空氣溫度低，因此地源熱泵的制熱、制冷系數(shù)要高于空氣源熱泵，一般可高于40%，因此可節(jié)能和節(jié)省費用40%左右。(2)冬季運行不需要除霜，減少了結霜和除霜的損失。(3)地源有較好的蓄能作用。

 

    地源熱泵系統(tǒng)的分類及其各自的優(yōu)缺點

 

    1)Groundwaterheatpumps,GWHPs地下水熱泵系統(tǒng)，也就是通常所說的深井回灌式水源熱泵系統(tǒng)。通過建造抽水井群將地下水抽出，通過二次換熱或直接送至水源熱泵機組，經提取熱量或釋放熱量后，由回灌井群灌回地下。

 

    其最大優(yōu)點是非常經濟，占地面積小，但要注意必須符合下列條件：水質良好；水量豐富；回灌可靠；符合標準。

 

    2)(a)Horizontalground-coupledheatpump水平埋管地源熱泵系統(tǒng) (b)Verticalboreholeground-coupledheatpump垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)。(a)和(b)兩種方式都歸屬于Ground-coupleheatpumpsGCHPs(地下耦合熱泵系統(tǒng))，也稱埋管式土壤源熱泵系統(tǒng)。還有另外一個術語叫Groundheatexchanger地下熱交換器地源熱泵系統(tǒng)。這一閉式系統(tǒng)方式，通過中間介質(通常為水或者是加入防凍劑的水)作為熱載體，使中間介質在埋于土壤內部的封閉環(huán)路中循環(huán)流動，從而實現(xiàn)與大地土壤進行熱交換的目的。

 

    對于垂直式埋管系統(tǒng)，其優(yōu)點有：較小的土地占用，管路及水泵用電少，其缺點是鉆井費用較高；對于水平式埋管系統(tǒng)，其優(yōu)點有：安裝費用比垂直式埋管系統(tǒng)低，應用廣泛，使用者易于掌握，其缺點有：占地面積大，受地面溫度影響大，水泵耗電量大。

 

    3)Surface-waterheatpumps,SWHPs地表水熱泵系統(tǒng)。通過直接抽取或者間接換熱的方式，利用包括江水、河水、湖水、水庫水以及海水作為熱泵冷熱源。歸屬于水源熱泵方式。

 

    其優(yōu)點有：在10米或更深的湖中，可提供10℃的直接制冷，比地下埋管系統(tǒng)投資要小，水泵能耗較低，高可靠性，低維修要求、低運行費用，在溫暖地區(qū)，湖水可做熱源，其缺點有：在淺水湖中，盤管容易被破壞，由于水溫變化較大，會降低機組的效率。

 

    4)Standingcolumnwellheatpumps,SCW單井換熱熱井，也就是單管型垂直埋管地源熱泵，在國外常稱為"熱井"。這種方式下，在地下水位以上用鋼套作為護套，直徑和孔徑一致；地下水位以下為自然孔洞，不加任何固井設施。

 

    熱泵機組出水直接在孔洞上部進入，其中一部分在地下水位以下進入周邊巖土換熱，其余部分在邊壁處與巖土換熱。換熱后的流體在孔洞底部通過埋至底部的回水管被抽取作為熱泵機組供水。這一方式主要應用于巖石地層，典型孔徑為150mm，孔深450m。    該系統(tǒng)適用于巖石地質地區(qū)，該地區(qū)巖石鉆孔費用高，而與巖石直接換熱，大大提高換熱效率，節(jié)省鉆孔、埋管費用。須得注意分析具體地質情況，做好隔熱、封閉、過濾、實際換熱量測算等具體工作。

 

    5)鍋爐/冷卻塔與地下埋管相結合的混合型地源熱泵系統(tǒng)：適用于空間小，不能單獨采用地下埋管換熱系統(tǒng)的建筑或內外分區(qū)冬季有大量可利用的排熱的建筑物，冷卻塔和閉環(huán)式系統(tǒng)相結合制冷，節(jié)省成本；事實證明該系統(tǒng)是高效率、低費用的。

 

    它的補充熱源有水地源、太陽能、電鍋爐、城市熱網……，額外排熱由冷卻塔或水地源來解決。其系統(tǒng)的設計需要詳細計算各季節(jié)的散熱與排熱及總的中和后的散熱或排熱量來選擇熱源和冷卻塔。

 

    地源熱泵和水源熱泵的冷熱源區(qū)別：

 

    水源熱泵和地源熱泵都是從地位熱源的選取來定義的，水源熱泵通常指地位熱源來源于地表水、地下水、海水、污水；地源熱泵有時也被稱為土壤源熱泵，但是地下水作為低位熱源的也可稱為地源熱泵。此外，水環(huán)熱泵也可稱為水源熱泵。定義的角度不一樣，叫法也就不一樣。采用冷卻塔散熱的系統(tǒng)不能稱為水源熱泵，直埋地下的如果采用的是打井的方式，利用井水應該成為水源熱泵，否則為土壤源熱泵。

 

    地源熱泵和水源熱泵的叫法區(qū)別：

 

    水源熱泵和地源熱泵以前確實叫法很亂，已經出臺的地源熱泵相關規(guī)范，其中對叫法范圍作了明確說明：

 

    地源熱泵指所有使用大地作為冷熱源的熱泵全部稱為地源熱泵，包括土壤熱泵(即地耦合熱泵)，地下水熱泵，地表水熱泵(包括江河湖海的水)等，這是為區(qū)別水環(huán)熱泵而說的。

 

    水源熱泵則是總稱，包括所有以水作為冷熱源的熱泵，當然也包括土壤熱泵和水環(huán)熱泵了，這是為區(qū)別空氣源熱泵(風冷熱泵)而說的。

 

    所以以大分類來說，水源熱泵包括地源熱泵和水環(huán)熱泵還有一些特殊的利用低位熱水能量的熱泵(比如利用工業(yè)廢水或發(fā)電廠冷卻循環(huán)水梯級利用等)。

 

    總之，簡單的說地源熱泵是泛指土壤源熱泵、地表水、地下水、海水、污水源熱泵。但現(xiàn)在人們習慣上把土壤源熱泵叫地源熱泵，把地表水、地下水、海水、污水源熱泵叫水源熱泵。  地源熱泵包含了抽地下水方式、埋管方式、抽取湖水或江河水方式等，抽取湖水或江河水方式造價最低，埋管方式最貴，但最好。

 

    只要有足夠的場可地埋設管道（地下冷熱交換裝置）或政府允許抽取地下水的就應該優(yōu)先考慮選擇地源熱泵中央空調。地源熱泵中央空調如此節(jié)能是應為地源熱泵技術借助了地下的能量，地下的能量還是來至于太陽能，“我們的腳下就有石油”這句話說的太好了，也很形象。

 

    地源熱泵優(yōu)點:

 

    1． 高效：一般空調對著空氣換熱稱為風冷熱泵，缺點在于天氣炎熱或者寒冷最需要冷量或熱量時效率反而下降。地溫一年四季基本恒定在16℃左右，略高于該地區(qū)平均溫度1到2度，使得熱泵無論在制冷或制熱工況中均處于高效率點。

 

    2． 節(jié)能省費用：冬季運行時，COP約為4.2，即投入1KW電能，可得到4KW的熱能，夏季運行時，COP可達5.3，投入1KW電能，可得到5KW的冷量，能源利用效率為電采暖方式的3-4倍；并且熱交換器不需要除霜，減少了結霜和除霜的用電能耗。

 

    3． 環(huán)保：供熱時沒有燃燒過程，避免了排煙污染，供冷時省了冷卻塔，避免了噪音及霉菌污染。

 

    4． 舒適：因為地源熱泵機組供冷暖時都是通過冷熱水經風機旁管（或地板管、墻埋管）交換完成的，所產生的冷氣和暖氣（或輻射熱）比常規(guī)空調的要更柔和的多，熱不易感冒。

 

    5． 節(jié)省占地面積：省去了冷卻塔、鍋爐及與之配套的煤棚和渣場，節(jié)省了土地資源，產生附加經濟效益，并改善了建筑物的外部形象。

 

    6． 安全：無燃燒設備，從而不存在爆炸、失火和中毒的隱患。

 

    7． 機組壽命長：熱泵主機一般放在室內或室外密閉的箱體內，并且熱泵機組是長期在良好的低溫井水（16℃）下進行熱交換工作，可大大延長機組壽命，故障率低減少了維護量。

 

    8． 一機多用：地源熱泵系統(tǒng)可供暖，空調，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統(tǒng)。

 

    9． 可再生：土壤有較好的蓄熱性能，冬季通過熱泵將大地淺層的低位熱能提高對建筑供暖，同時蓄存冷量，以備夏用；夏季通過熱泵將建筑物內的熱量轉移到地下對建筑進行降溫，同時蓄存熱量，以備冬用，保證大地熱量的平衡。

 

    10．可分區(qū)控制：中央空調享受的檔次，又可達到單體空調局部控制的效果，不存在“大馬拉小車”。

 

    市場上現(xiàn)有傳統(tǒng)空調存在如下一系列問題：

 

    1． 存在熱島效應: 使得外界局部空間環(huán)境條件惡化。

 

    2． 當空氣溫度低于零度時，機組效率下降，并且當環(huán)境溫度低于-5℃時，機組效率極低，甚至無法開機，需加輔助熱源（家用普通3P機僅電輔加熱就達2000W），輔助加熱時的能效比COP要小于1。

 

    3． 冬季室外機組需要頻繁停機除霜，其結果是除霜損失約占熱泵總能耗的10.2%，如普通3P機就要增加300瓦電能浪費。武漢地區(qū)因為空氣濕度大，一般當環(huán)境溫度5℃時外機就開始結霜。

 

    4． 夏天當空氣溫度高于35℃時，常規(guī)空調機組效率開始下降，空氣溫度越高，機組制冷效率越低，能耗增加。在空氣溫度為30℃時，常規(guī)空調機組能效比COP也僅有2.2左右。

 

    5． 室外機或冷卻塔有噪音及霉菌污染。

 

    6． 室外機（壓縮機等關鍵設備）長年暴露在露天，直接與空氣接觸，灰塵集在散熱器上，起到保溫作用，機組在高溫下運行，增加能耗的同時機組壽命大大減少。

 

    7． 常規(guī)中央空調不能分區(qū)分部控制，即存在“大馬拉小車”問題。