資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的熱泵應用問題討論
【摘 要】 【關鍵詞】
近年來隨著資源和環(huán)境的問題日益嚴重，在滿足人們健康、舒適要求的前提下，合理利用自然資源，保護環(huán)境，減少常規(guī)能源消耗，已成為暖通空調行業(yè)需要面對的一個重要問題。適應這一要求，作為空調冷熱源中能源轉換效率最高的熱泵應用技術，正受到人們的日益重視和關注。
在熱泵技術應用研究中，關鍵要解決如下問題：合適的低溫熱源、適宜的制冷工質、合理驅動方式。熱泵技術的應用和推廣，不僅要適應能源的結構調整和環(huán)境保護的需要，也要在初投資和運行成本上，具有和常規(guī)空調冷熱源相競爭的優(yōu)勢。
一、地源熱泵系統(tǒng)形式
水源熱泵分為地表水源和地下水源兩種形式。地表水源主要包括江、河、湖、海等水資源。近幾年，城市污水資源作為一種優(yōu)良的熱泵低溫資源，其良好的經濟效益和環(huán)境效益正受到人們的重視。
地下水源熱泵和土壤源熱泵都是利用豐富的地熱資源，可統(tǒng)稱為地源熱泵。作為一項旨在解決空調冷熱源問題的新技術，地源熱泵以其高效、節(jié)能、舒適，而且安裝施工簡單、運行維護方便等優(yōu)點，近年來越來越受到人們的重視。
地下水源熱泵指利用水泵直接抽取地下水與制冷劑進行熱交換，并在合適地點回灌或排放，即通常所說的開路系統(tǒng)。開路系統(tǒng)存在的主要問題是回灌技術要求較高，回灌設施投資和運行費用較高，機組性能受地下水文地質條件的變化影響較大，地熱水對管路系統(tǒng)和設備的腐蝕問題以及地熱井的開采和地熱水的抽取可能引發(fā)的環(huán)境地質問題等。
閉路系統(tǒng)是利用地下埋管與土壤或用井下換熱器與地熱水進行熱交換，土壤源熱泵即屬于閉路系統(tǒng)。閉路系統(tǒng)一般采用間接膨脹式，即制冷劑與大地之間通過中介流體進行熱交換，地下盤管自成封閉系統(tǒng)。管內流體可以是水、鹽水或乙二醇水溶液。根據地下埋管的布置形式，系統(tǒng)又分成水平埋管和垂直埋管，垂直布置的埋設深度一般為30～180m。在垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)中，按埋管換熱器形式的不同，又分為套管和U型管兩種形式。相比較而言，U型埋管換熱器施工簡單，運行可靠，在地源熱泵系統(tǒng)中得到了較廣泛的應用。按熱泵與空調末端系統(tǒng)的耦合方式，又可分為水—水地源熱泵和空氣－水地源熱泵。水－水熱泵因為要增加一次中間換熱和水的輸送，所以系統(tǒng)的總性能系數要低于空氣－水地源熱泵。我國目前所開展的研究主要系統(tǒng)形式都是水－水耦合的方式。
二、土壤熱特性和回填材料對地源熱泵性能的影響
土壤的熱特性對地源熱泵系統(tǒng)的性能影響較大。土壤熱特性主要與組成土壤的固體顆粒成分、導熱性能、土壤的含水量、密度有關。Leong等（1998）進行了土壤成分和含水量對埋管換熱器和熱泵性能的研究。研究表明，干燥土壤的地源熱泵的性能系數COP要比潮濕土壤的COP低35%，當土壤含水量低于15%時，隨著含水量的降低，熱泵的循環(huán)性能系數將迅速下降。土壤含水量在25%以上，地源熱泵的性能將會得到有效的提高，而當含水量超過50%后，含水量的增加，熱泵循環(huán)性能系數提高的趨勢減緩。
土壤含水量從50%增加到100%，其COP僅增加1.5%。
在U型埋管和管井之間填充適當的材料，可以使管道和井璧的接觸更加緊密，提高埋管換熱器的傳熱效果。同時，回填材料可以有效防止土壤凍結、收縮、板結等對埋管換熱器的傳熱效果的影響，也可有效防止地下污染物對埋管的不利影響，因此選擇適當的回填材料對地源熱泵的性能有重要的影響。目前應用的回填材料主要有沙土混合物，水泥灰漿和火山灰粘土等。從提高埋管換熱器性能來看，水泥灰漿回填具有更大的優(yōu)越性。
對于嚴寒地區(qū)地源熱泵的應用，除應注意埋管內流動介質的防凍外，尚應注意由于埋管自地下取熱可能導致的土壤凍結對地源熱泵性能的影響。量輸出，也降低了系統(tǒng)的COP。當機組停運一段時間，凍結的土壤融化，埋管斷面又恢復到原來的形狀。根據現場情況分析，管道擠壓問題的產生，主要是由于土壤膨脹產生的應力大于了埋管的抗壓強度。如果地下土壤和回填材料具有不易凍結的性質，則管道不會出現擠壓現象。實驗表明，管道最大擠壓出現的部位位于U型管進水管的中部。當管內流體溫度在-5℃～-10℃范圍內，管道擠壓的程度隨溫度的降低而增加，當溫度保持在-2℃時，管道沒有明顯的擠壓現象。由于管道擠壓，在-5℃～-10℃范圍內管道斷面積的減小由6%增加到32%。與進水管相比，U型管的出水管部分在實驗的溫度范圍內沒有出現明顯的擠壓現象。
在嚴寒地區(qū)，保證土壤埋管附近的土壤溫度在凍結點以上是防止由于土壤凍結膨脹而對埋管產生擠壓的根本措施。另外一個有效的措施是選用合適的回填材料，如水泥灰漿不但可有效提高埋管的傳熱效果，也可防止由于土壤膨脹對埋管可能形成的擠壓。
三、結論
在空調制冷領域應用熱泵技術，應綜合考慮資源、環(huán)境和經濟效益之間的關系，就目前而言，應盡量擴大可再生能源和低品位能的應用范圍，應加快常規(guī)工質的地源熱泵的應用和推廣研究。就對環(huán)境的長期影響和資源的合理利用來看，以可再生能源為熱源、以清潔能源為動力和采用自然工質的熱泵技術將是解決空調冷熱源的根本措施。
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