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地源热泵技术的理性应用


时间:2015-12-15 11:18:53  来源:  作者:chinaxzy

  能源是现代社会和生活的物质基础,能耗的急剧增加带来了能源危机问题,因此充分合理地利用能源显得愈发重要。热泵技术以节能和对能源再利用的优势吸引人们不断深入研究和积极推广,其中地源热泵技术被誉为可再生能源利用的核心技术。针对地源热泵技术的特点,在充分肯定其优点的基础上,从地源热泵可能因水体热污染及土壤温度改变等因素而引发生态问题的角度,提出应理性、科学地使用地源热泵技术。
 
  面对现今资源、环境和人口的严峻形势,大力开展节能技术研究,控制或降低用能过程所产生的环境污染问题,对于提高我国能源利用水平,确保国民经济的高速稳步发展有着重要的意义。热泵技术因节能、环保、高效等优点,近年来被空调和供热领域广泛应用,为我国节能减排、提高人们生活水平等方面做出了贡献。但是,热泵技术在应用中也存在一些问题。本文就当前地源热泵技术在我国的应用特点进行技术分析,以期使地源热泵技术在我国能够健康和可持续地发展和应用。
 
地源热泵
 
  地源热泵技术是利用地表水、地下水、岩土层全年温度的相对稳定特性,通过热泵机组,在冬天将这些低位热源中的热量转移到需要供热的地方,夏天将室内的余热转移到这些低位热源中,达到制冷的目的。
 
  地源热泵技术可用来替代传统的用制冷机和锅炉进行空调、采暖和供热的模式,是改善城市大气环境和节约能源的一种有效途径,也是国内地源能利用的一个发展方向。该技术近几年来在国内发展极为迅速,在短短的几年内已经成为建筑节能领域中一项重要新兴技术。
 
地源热泵的特点
 
  地源热泵系统按热源种类可分为:地表水源热泵系统、地下水源热泵系统和土壤源热泵系统。虽然地源热泵系统可以分为以上三种形式,但从共性上来说它们具有以下的技术特点:
 
  (1)节能、环保。热泵本身的制热效率就比较高,因为热泵产生的热主要不是因燃烧或电加热而直接产生的热量,而是从低温热源中转移过来的热量。文献通过一次能源利用率来说明了热泵的高效率。地源热泵运行时,需要的仅仅是低位热源的热量或冷量,基本不产生任何污染,仅仅消耗少量电能。
 
  (2)一机多用,运行稳定、可靠。地源热泵系统可供暖、制冷和提供生活热水,对于同时需求供暖、供冷的建筑,地源热泵一套系统就可同时解决,节省了建筑的配套建设费用和配套设施占用面积,从而也增加了经济性。地表水、地下水和浅层地温的变化范围远小于环境气温的变化范围,使地源热泵全年运行稳定。
 
1 地表水源热泵系统
 
  与地表水进行热交换的地源热泵系统,根据传热介质是否与大气相通,可分为开式和闭式系统两种。在寒冷地区,开式系统并不适用,只能采用闭式系统。
 
  一定地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度、温度特征等多种因素有关,需要根据具体情况进行计算。在我国中部、南部地区,如果建筑物附近有可利用的海、湖、江河、水池或人工湖等水体,在考证水源的可靠性并采取适当水处理措施的前提下,地表水源热泵系统可能是最具有节能优点而又经济的系统。总的来说,地表水热泵系统具有造价低、泵能耗低、维修率低及运行费用少等优点。
 
2 地下水源热泵系统
 
  地下水热泵系统是欧美国家最常用的地源热泵系统,目前主要应用在商业建筑中,民用建筑已很少使用。地下水系统与地表水系统相似,也有开式和闭式之分。开式系统换热效果好,但热泵设备和管路易受到地下水的水质腐蚀和堵塞,最终影响系统运行,并降低效率。另外,一定要做到取“热”而不取“水”,以确保水源不受污染,不对地质造成灾害。闭式系统采用板式换热器将地下水和热泵设备隔开,解决了开式系统的腐蚀和堵塞问题,但因板式换热器的二次换热,换热效果有所降低。
 
  相对于地表水温易受到环境温度、水深等因素的影响使热泵机组运行不稳定而言,地下水水温比较恒定,机组运行稳定可靠。与土壤源热泵系统相比,地下水热泵系统的优势是造价低,另外水井很紧凑,不占太多场地,技术也相对比较成熟,水井承包商容易找。其劣势主要在于水层地质结构和可利用地下水源条件的限制,另外还需注意泵的选型和水质处理等问题。
 
3 土壤源热泵系统
 
  土壤源热泵以大地作为热源和热汇。这种系统把传统空调器的冷凝器或蒸发器直接埋入地下,通过中间介质作为热载体,使中间介质在封闭环路中循环流动,实现热泵机组与岩土体进行热交换的目的。根据地下热交换器的布置形式,系统主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三类。
 
  土壤源热泵系统是一种高效利用地下浅层地热资源(包括土壤和地下水源的热量),既可以供热又可以制冷的环保型冷热源系统。地温恒定的特点使得该系统比传统空调系统运行效率要高30%左右。另外,地温恒定也使热泵机组运行比地表水系统更可靠、稳定,保证了系统的高效性和经济性。
 
  相对于地下水源热泵系统,土壤源系统不抽取地下水,不受地下水资源条件和地层结构的限制,同时也避免了地下水回灌困难等问题,也不会对地下水洁净度产生污染。
 
科学使用地源热泵技术
 
  为了更好地配合我国“节能减排”、“建筑节能”的政策,基于地源热泵技术环保无污染等优点,我国各级政府下发了鼓励、支持可再生能源及地源热泵的文件。《中国应对气候变化国家方案》中第四部分明确提出要“积极推进地热能和海洋能的开发利用,推广满足环境和水资源保护要求的地热供暖、供热水和地源热泵技术”。《沈阳市“十一五”时期地源热泵技术应用专项规划》等文件对采用地源热泵系统的项目、区域给予相当大的优惠。这些各级政策都着眼于国家能源战略角度,从长远的观点为我们指出节能减排的发展方向,作为不同地区,应根据自己的实际情况具体地、有规划化地、逐步渐进地发展和利用地源热泵资源。
 
  但是,在一些地区,很少进行地源热泵系统的可行性研究,地源热泵项目像雨后春笋似地遍地开花。特别是北方地区,许多冬季供暖项目均围绕地源热泵展开,在冬季将地源岩土层的热量无节制地开发汲取,在夏季又较少地使用空调制冷而无法将热量回馈到岩土层,造成地源岩土层冬夏季节热量比例严重失调,久而久之,无法使地源岩土层温度达到平衡,甚至可能引发生态失衡。
 
1 地表水源热泵系统可能带来的问题
 
  (1)基础水温数据不全。明确江、河、湖、海(或水池)的水体在一年四季中不同深度的温度变化情况是至关重要的,因为它直接关系着热泵系统的运行效率。另外,地表水体的温度变化比另两种系统的大,因而对水体在全年各个季节不同深度的温度变化测定更显得是设计的一项主要工作内容,而客观现实确是基础水温数据不全。在该情况下,设计方倾向于保守估计,一般选择系统的容量偏大,这样反而造成了初投资及运行费用的浪费,与节能的初衷背道而驰。建议国家有关部门尽快出台相关措施,对我国可作为地表水源热泵的水体进行规范的、标准的、不同层次的连续水温测试,以供设计使用。
 
  (2)当热泵大规模长期运行时,会对水体温度以及生态环境的影响产生潜在问题。水温是影响水生物生长繁殖和分布的重要环境原因,早在1988年6月1日起实施的《地面水环境质量标准》中就规定了人为造成的环境水温变化范围。水体热污染的危害不像排放水和排烟那样明显,在短时间内看不出对气候的影响,主要是直接或间接的对水生动植物和水体质量带来危害。首当其冲的受害者是水生物,其次可引起水生植物群落组成的改变并减少其多样性等危害。文献对这种问题给予了详细解释,并指出国内对地表水源热泵设计选用的指标偏大是造成水体热污染和运行困难的重要原因。因此,在利用该系统时,应该科学合理地分析其造成水体热污染的程度。
 
2 地下水源热泵系统可能带来的问题
 
  (1)该系统对地下水的抽灌将引起地下水流场的变化。抽灌平衡时地下水流场的影响范围主要与含水层导水系数、抽灌量及抽灌井距离有关;若不平衡,则其引起的地下水动力场影响范围将大于等量抽灌条件下的范围。
 
  (2)会对地下水温度产生影响。文献指出其长期运行会造成局部区域地下水水温和土壤温度场的变化,并会涉及到地下水体的自净过程,虽然这种影响的程度目前还不清楚,但应该引起足够的注意。且地下温度与细菌容量之间的正态分布关系表明,场地温度或高或低均不利于细菌的生长。
 
  (3)冷热负荷平衡时可使热泵系统保持较高的运行效率,利于系统长期运行。若失衡,会使含水层的储能特性受到抑制,抽灌区地下水趋冷或趋热,影响热泵的运行效率。
 
  (4)热泵系统在运行期间对抽灌区的地下水动力场、地温场及水质等方面造成的影响会对生态平衡产生影响。地下水水源热泵系统引起的地下水遭到生物或化学污染及地下水的浪费要求系统应采用闭式系统并强制回灌。在实际运行中,回灌井堵塞和溢出是大多数系统均出现的问题,并且在取水和回灌过程中对地下水的污染和浪费也是难以避免的。即使采用压力回灌也难以保证取热后的排水能够全部回灌到与取水相同的承压层。这样大面积长期抽灌流量和压力不平衡必然造成压缩地层的孔隙水压力减小,有效应力增大,引起地层变形、地面沉降或海水入侵,造成水质和地质结构的潜在破坏。
 
3 土壤源热泵系统可能带来的问题
 
  因吸放热不平衡而引起的地下岩土层年平均温度的变化会对周围生态环境产生影响。如果一年中,冬季向地下岩土层取出的热量等于夏季向大地蓄存的能量,则大地收支平衡,长期运行土壤温度也不会有所改变。若吸放热不平衡,多余的热量要么在地下积累,引起温度上升;要么使岩土层热量减少,引起土壤温度下降,都会导致地下岩土层年平均温度的变化。
 
  通过对埋管周围温度场的数学分析得出,由于冬夏两季冷热负荷不平衡导致的岩土层温度场的持续变化必将影响地源热泵的正常运行,同时会对生态环境带来难以预测的影响:
 
  (1)土壤温度影响土壤物性参数。土壤温度也称地温,是影响冻结土壤入渗能力大小的一个主要因素。为了观测地温对土壤入渗的影响,在深度10~20cm的土层中,通过连续的饱和导水率观测试验得到了地温与导水率的关系。在北方寒冷地区推广地源热泵时,冷热负荷的不平衡必然带来土壤温度的持续降低,饱和导水率下降,进而引起土壤相应物性参数的改变。
 
  (2)土壤温度变化对大地热流的影响。大地热流是地热场温度梯度和热导率的乘积,其高低与区域地温梯度及岩石热导率有着密切关系。区域大地热流的高低对区域生态系统的演化有重大影响,其脉动可能影响区域大气系统下垫面的热力背景和气流运动,从而影响降到水和区域气候的干湿程度。大地热流的高低决定了一个地区地表生态系统能量供给的下限,可能制约一些地区生态系统的物种多样性,进而影响到区域生态系统的稳健性。地源热泵长期运行在冷热负荷不平衡的地区,必然造成地区温度的持续升高或降低,将引起温度梯度变化,从而影响到大地热流。
 
  (3)土壤温度变化对生物的影响。在生命活动过程中的最适温度、最低温度和最高温度总称为三基点温度。在最适温度下,作物生长发育良好;在最高和最低温度下,作物停止生长发育,但仍能维持生命;如果此时继续升高或降低温度,就会对作物产生不同程度的危害,直至死亡。在一定范围内,土壤温度升高,生长加快,但温度太高也会影响生长。土壤温度的变化会改变其中发生的化学反应,尤其对胶体化学影响较大;同时可能影响其中的氧溶解、水分蒸发等问题;还可能因影响其中的微生物等分解者的活动从而影响死亡地被物的分解速度,最终会影响整个区域生态环境的变化。
 
结论
 
  (1)我国水源热泵的快速发展要注意与环境相协调。水体热污染就是潜在问题之一,需要引起足够的预见和重视。适度发展水源热泵系统仍然是相对节能环保的一种空调冷热源形式,其前提是规划和设计科学合理。关于土壤的吸放热平衡问题,只要能使系统夏季排放的热量与冬季吸收的热量相差在10%~20%,均可认为达到季节性平衡。必要时可借助外来的辅助冷热源和其他因素加以平衡地源热量。
 
  (2)地源热泵从其原理分析,是节约能源、提高能源利用率的重要手段,也是当前我国重点推广的节能措施之一。因此各种不同的地源热泵系统形式在我国各地均有应用,一些技术单位和企业也极力推广地源热泵技术。但当我们推广该技术时,一定要防止出现这种倾向:一哄而起,不分情况,不分条件的上项目;不可一概而论、随大流,也不能搞一刀切。必须进行科学论证,并根据我国的气候、地域和地质水文状况,从负荷预测、技术、经济、环保等多方面对方案进行可行性分析和正确评估,以免对将来的生态平衡带来战略性的、不可弥补的损失。

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