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什麽是地源熱泵技術

2020-06-19 11:11:11  

烈日炎炎似火燒,轉眼間來到了酷熱的夏季。小編和大家一樣,在炎熱的夏天為了防止被曬出原形需要靠空調續命。然而空調高昂的耗電量,著實令人心疼不已。其實,有一種技術可以解決上述的難題,這就是地源熱泵技術。美國環境保護署(EPA)稱地源熱泵為最節能,最環保,最具成本效益的空間調節係統。今天小編帶領大家認識一下地源熱泵技術。


一、定義

地源熱泵係統(Ground-source Heat Pump System)指以岩土體、地下水或地表水為低溫熱源,由水源熱泵機組、地熱能交換係統、建築物內係統組成的供熱空調係統。


天天看片先來了解一下“熱泵”。熱泵(製冷機):是通過做功使熱量從溫度低的介質流向溫度高的介質的裝置。熱泵利用的低溫熱源通常是環境(大氣、地表水和大地)或各種廢熱,由熱泵從這些熱源吸收的熱量屬於可再生的能源。熱泵是一項利用可再生能源、保護環境的可持續發展技術。利用大地(土壤、地層、地下水)作為熱源的熱泵,可稱之為地源熱泵。


二、特點

節能高效。在耗電量相同的條件下,分別提高夏季供冷量或冬季的供熱量,能效比EER:3.9-6,即夏季投入1KW電能可得3.9-6KW熱能, 性能係數COP=2.65-5即冬季投入1KW電能,可得到3.0-5KW左右的熱能;並且地埋管熱交換器不需要除霜,減少了結霜和除霜的能耗。

性能穩定。地下溫度穩定:地下的平均溫度基本穩定在16度到22度之間,不受室外環境空氣變化溫度影響,主機製冷熱穩定,不會出現空氣源熱泵越是在需要空調的情況下越不好。

投資匯報高。地源熱泵係統作為樓宇空調係統,其運行費用可大大降低。用地源熱泵係統供暖或製冷時,根據不同的地域、氣候、資源、環境,運行費用可比傳統中央空調係統降低25%-50%;可供暖、空調,還可在春夏秋采用熱回收免費供生活熱水做到冷暖熱水三合為一 ;一套係統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或係統,減少設備初投資;地源熱泵係統初投資增量回收期約2.5-8年不等。

可再生能源利用技術。地表土壤和水體,收集了47%的太陽輻射能量,比人類每年利用能量的500倍還多。地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發散相對的均衡。對太陽能二次利用,符合可持續性發展趨勢不受地域、資源等限製

環保。汙染物排放與空氣源熱泵相比減少40%以上,與電供暖相比減少70%。沒有燃燒、排煙,也沒有廢棄物,且不用遠距離輸送熱量,是真正的環保型空調。夏季不會向建築周圍空氣放熱是環境空氣溫度升高,冬季不會從建築物周圍空氣吸熱降低環境空氣溫度。機組的埋地換熱器可以布置在花園、草坪及建築物周圍地下,不占建築麵積。

安全、壽命長。地源熱泵非常耐用,機械運動部件(主機為工廠整體組裝)非常少,所有的部件埋在地下或是安裝在室內,從而避免了室外的惡劣氣候,係統采用閉式循環減少腐蝕、汙染與結垢,延長設備使用壽命,同時係統維護費用低;地下部分(PE管)可保證50年(免維護),需要維護的主要是水泵與室內管道與室內機---維護簡單工作量小,節省維護費用;地源熱泵機組正常壽命是25年。

應用範圍廣。適用廣:可應用於賓館、商場、辦公樓、學校等建築等需要空調的新建、改建、擴建項目,更適合於別墅住宅的采暖、空調。

缺點:

①老舊開放式地源熱泵,可能對地下水造成嚴重的汙染。

②老舊開放式地源熱泵抽水後不能夠及時回灌可能造成地麵下沉,造成地麵上的建築物損壞。

③不太適用於:建築密度很大的地方,地質條件比較惡劣的地區(如:地下岩層比較厚和硬)。

三、應用與發展

地源熱泵的概念最早出現在1912年瑞士的一份專利文獻中。

開放式地下水熱泵係統在20世紀30年代被成功應用。


20世紀50年代歐洲和美國掀起了研究地源熱泵的第一次高潮,美國愛迪生電子學院最早研究閉式環路熱泵係統,印地安納洲的印地安納波利斯是最早安裝閉式環路地源熱泵係統的。

直到20世紀70年代,世界石油危機使得人們關注節能、高效用能,地源熱泵的研究進入了又一次高潮,這時瑞典的研究人員開始將塑料管應用在閉式環路地源熱泵係統上,地源熱泵的推廣應用迅速展開。

經過近50年的發展地源熱泵技術在北美和歐洲已非常成熟,是一種被廣泛采用的熱泵空調係統。針對地源熱泵機組、地熱換熱器,係統設計和安裝有一整套標準、規範、計算方法和施工工藝。


到2019年底,美國有超過3萬台係統在家庭、學校和商業建築中應用,另據地源熱泵協會統計,美國有600多所學校安裝有地緣熱泵技術。

四、工作原理

作為自然現象,正如水由高處流向低處那樣,熱量也總是從高溫流向低溫,用著名的熱力學第二定律準確表述:“熱量不可能自發由低溫傳遞到高溫”。但人們可以創造機器,如同把水從低處提升到高處而采用水泵那樣,采用熱泵可以把熱量從低溫抽吸到高溫。所以地源熱泵實質上是一種熱量提升裝置,它本身消耗一部分能量,把環境介質中貯存的能量加以挖掘,提高溫位進行利用,而整個熱泵裝置所消耗的功僅為供熱量的三分之一或更低,這就是地源熱泵節能的原理。


冬季,熱泵機組從地源(淺層水體或岩土體)中吸收熱量,向建築物供暖;

夏季,熱泵機組從室內吸收熱量並轉移釋放到地源中,實現建築物空調製冷。



冬季地源熱泵工作原理

冬天熱泵中製冷劑正向流動,壓縮機排出的高溫高壓氣體進入冷凝器向集水器中的水放出熱量,相變為高溫高壓的液體,再經熱力膨脹閥節流降壓變為低溫低壓的液體進入蒸發器,從地下循環液中吸取低溫熱後相變為低溫低壓的飽和蒸汽後進入壓縮機吸氣端,由壓縮機壓縮排出高溫高壓氣體完成一個循環。如此循環往複將地下低溫熱能“搬運”到集水器,從而不斷的向用戶提供45℃-50℃的熱水。


夏季地源熱泵工作原理

夏天熱泵中製冷劑逆向流動,與用戶換熱的冷凝器變為蒸發器從集水器中的低溫水(7℃-12℃)提取熱能,與地下循環液換熱的蒸發器變為冷凝器向地下循環液排放熱量,循環液中熱量再向地下低溫區排放,如此循環往複連續地向用戶提供7℃-12℃ 的冷水。


五、分類

根據地熱能交換係統形式的不同,地源熱泵係統分為地埋管地源熱泵係統、地下水地源熱泵係統和地表水地源熱泵係統。

地埋管地源熱泵係統

地埋管地源熱泵係統是利用地下岩土中熱量的閉路循環的地源熱泵係統。它通過循環液(水或以水為主要成分的防凍液)在封閉地下埋管中的流動,實現係統與大地之間的傳熱。

地麵耦合熱泵係統的垂直配置

地麵耦合熱泵係統的水平配置


地下水地源熱泵係統

地下水地源熱泵係統的熱源是從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。經過換熱的地下水可以排入地表水係統,但對於較大的應用項目通常要求通過回灌井把地下水回灌到原來的地下水層。水質良好的地下水可直接進入熱泵換熱,之後將井水回灌地下,這樣的係統稱為開式係統。

地下水熱泵係統

地表水地源熱泵係統

地表水熱泵係統的熱源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大量自然水體的地方利用這些自然水體作為熱泵的低溫熱源是值得考慮的一種空調熱泵的型式。

地表水熱泵係統

沉入池塘底部的12噸池塘回路係統

來源於中科院地質地球所 ,作者Azz


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