地埋管式地源熱泵系統(tǒng)
地源熱泵的起源
地源一詞是從英文“groundsource”翻譯而來(lái)，漢語(yǔ)的內(nèi)涵則十分廣泛，應(yīng)包括所有地下資源的含義。但在空調(diào)業(yè)內(nèi)，目前僅指地殼表層（小于400米）范圍內(nèi)的低溫?zé)豳Y源，它的熱源主要來(lái)自太陽(yáng)能，極少能量來(lái)自地球內(nèi)部的地?zé)崮堋?/p>
地源熱泵是利用淺層地能進(jìn)行供熱制冷的新型能源利用技術(shù)，是熱泵的一種,熱泵是利用卡諾循環(huán)和逆卡諾循環(huán)原理轉(zhuǎn)移冷量和熱量的設(shè)備.地源熱泵通常是指能轉(zhuǎn)移地下土壤中熱量或者冷量到所需要的地方.通常熱泵都是用來(lái)做為空調(diào)制冷或者采暖用的.地源熱泵還利用了地下土壤巨大的蓄熱蓄冷能力,冬季地源把熱量從地下土壤中轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi),夏季再把地下的冷量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi),一個(gè)年度形成一個(gè)冷熱循環(huán).
地源熱泵的概念，最早于1912年由瑞士的專家提出，而該技術(shù)的提出始于英、美兩國(guó)。
1946年美國(guó)在俄勒岡州的波蘭特市中心區(qū)建成第一個(gè)地源熱泵系統(tǒng)。但是這種能源的利用方式?jīng)]有引起當(dāng)時(shí)社會(huì)各界的廣泛注意，無(wú)論是在技術(shù)、理論上都沒有太大的發(fā)展。
20世紀(jì)50年代，歐洲開始了研究地源熱泵的第一次高潮，但由于當(dāng)時(shí)的能源價(jià)格低，這種系統(tǒng)并不經(jīng)濟(jì)，因而未得到推廣。直到20世紀(jì)70年代初世界上出現(xiàn)了第一次能源危機(jī)，它才開始受到重視，許多公司開始了地源熱泵的研究、生產(chǎn)和安裝。這一時(shí)期，歐洲建立了很多水平埋管式土壤源熱泵，主要用于冬季供暖。雖然歐洲是世界上發(fā)展地源熱泵最成熟的地區(qū)，但是它也曾因?yàn)闊岜脤＜也欢惭b技術(shù)，安裝工人又不懂熱泵原理等因素，致使地源熱泵的發(fā)展走了一段彎路。
隨著科技的進(jìn)步，關(guān)于能源消耗和環(huán)境污染的法律制訂越來(lái)越嚴(yán)格，地源熱泵的發(fā)展迎來(lái)了它的另一次高潮。歐洲國(guó)家以瑞士、瑞典和奧地利等國(guó)家為代表，大力推廣地源熱泵供暖和制冷技術(shù)。政府采取了相應(yīng)的補(bǔ)貼政策和保護(hù)政策，使得地源熱泵生產(chǎn)和使用范圍迅速擴(kuò)大。上世紀(jì)80年代后期，地源熱泵技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，更多的科學(xué)家致力于地下系統(tǒng)的研究，努力提高熱吸收和熱傳導(dǎo)效率，同時(shí)越來(lái)越重視環(huán)境的影響問題。地源熱泵生產(chǎn)呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)，瑞士和瑞典的年遞增率超過(guò)10％。美國(guó)的地源熱泵生產(chǎn)和推廣速度很快，技術(shù)產(chǎn)生了飛速的發(fā)展，成為世界上地源熱泵生產(chǎn)和使用的頭號(hào)大國(guó)。
從地源熱泵應(yīng)用情況來(lái)看，北歐國(guó)家主要偏重于冬季采暖，而美國(guó)則注重冬夏聯(lián)供。由于美國(guó)的氣候條件與中國(guó)很相似，因此研究美國(guó)的地源熱泵應(yīng)用情況，對(duì)我國(guó)地源熱泵的發(fā)展有著借鑒意義。
太陽(yáng)能的47%被地表吸收，地表淺層蘊(yùn)藏著幾乎取之不盡、用之不竭的冷熱源能量，并且其溫度持續(xù)恒定，近似當(dāng)?shù)匾荒晁募練鉁氐钠骄怠８鶕?jù)這一特性，美國(guó)人最早發(fā)明了地埋管地源熱泵，就是根據(jù)建筑物的面積、使用要求、周圍場(chǎng)地及地質(zhì)條件等諸因素，設(shè)計(jì)和優(yōu)化方案。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在建筑物周圍鉆若干個(gè)直徑為11—15CM、深度為50—130M的“地源孔”，埋入外徑25—32MM高強(qiáng)度柔韌性好的U形PE管，再用粗細(xì)適當(dāng)、材質(zhì)相同的集、分流管將埋入地下的若干U型管連接成進(jìn)水、出水兩組總管道，通過(guò)專用低功率循環(huán)水泵的恒壓進(jìn)水、出水與熱泵主機(jī)連接。其埋入地下與集、分流管相連的所有U形管，通過(guò)特殊施工工藝處理，直接與土壤耦合，管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的水是交換傳輸溫度的介質(zhì)，這個(gè)系統(tǒng)就是地下?lián)Q熱器，是地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)高效、節(jié)能、環(huán)保、舒適的關(guān)鍵。
根據(jù)可利用區(qū)域的不同情況，地下埋管既可豎直埋管（左圖），又可水平放置（中圖）。國(guó)外大量采用的是豎直埋管，這既節(jié)省場(chǎng)地，又可最大限度地利用地表深層的能量，管路系統(tǒng)更加安全、可靠、持久。還有一種簡(jiǎn)易形式就是利用盤管直接放置于江河湖泊進(jìn)行換熱（右圖）。其中豎直埋管，既可采用單Ｕ型，也可采用雙Ｕ型，需視具體情況而定。
左中右
地表向下1.5—130米左右，一年四季的溫度是相對(duì)恒定的，一般在16℃—20℃左右。地源熱泵正是利用地能這一特性，通過(guò)輸入少量的電能，最大限度地利用地溫，實(shí)現(xiàn)由低溫位向高溫位或由高溫位向低溫位的轉(zhuǎn)換。即：在冬季，把地下的熱量“取”出來(lái)，經(jīng)過(guò)熱泵進(jìn)一步換熱后為室內(nèi)供暖，同時(shí)將冷能傳輸?shù)降叵拢ㄒ妶D一）；在夏季，把地下的冷能“取”出來(lái)，經(jīng)過(guò)熱泵進(jìn)一步制冷后供室內(nèi)使用，同時(shí)將熱能釋放到地下（見圖二）。按換熱載體分區(qū)，地源熱泵的形式主要有四種：一是地表水地源熱泵（包括海水源，江湖河溪水或地表潛水）；二是地下水地源熱泵；三是地埋管地源熱泵；四是混合式地源熱泵。前兩種涉及到開采利用地下水或地表水，有些地區(qū)可能受到當(dāng)?shù)卣叻ㄒ?guī)的限制。
圖一
圖二
系統(tǒng)示意圖:
系統(tǒng)功能：
1.夏冬季節(jié)，對(duì)室內(nèi)進(jìn)行制冷供暖，調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度。
2.提供生活熱水。供冷時(shí)，采用熱回收方式產(chǎn)生生活熱水，這時(shí)的熱水是免費(fèi)的，過(guò)渡季節(jié)的生活熱水是按熱泵模式制取的。
3.低溫?zé)彷椛涞匕宀膳蛇x）。冬季采用地板采暖能保證室內(nèi)溫度均勻，并且有效節(jié)約電能。
系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)：
1．制冷供暖。費(fèi)用低，4.2冬季運(yùn)行時(shí)，COP約為4.2，即投入1KW電能，可得到4KW的熱能，夏季運(yùn)行時(shí)，COP可達(dá)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；安全，無(wú)任何燃燒，不會(huì)用爆炸的危險(xiǎn)；機(jī)組壽命長(zhǎng)，機(jī)組長(zhǎng)期在16℃水溫下運(yùn)行，大大提高了壽命。
2．生活熱水。供冷時(shí)，熱水完全免費(fèi)，完全免除了夏季加熱生活用水的費(fèi)用；其他季節(jié)，同等條件下，生活用水的費(fèi)用是燃?xì)鉄崴鞯?0%，是電熱水器的25%。
3．低溫?zé)彷椛涞匕宀膳＝】?、舒適，以輻射采暖為主，腳暖頭涼，對(duì)老人小孩尤其好。不象傳統(tǒng)采暖依靠對(duì)流容易傳播灰塵和病菌。地暖比散熱器采暖要節(jié)能20%-30%。壽命比普通暖氣片要長(zhǎng)得多，基本與建筑壽命相當(dāng)。
地源熱泵技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn):
1．高效：一般空調(diào)對(duì)著空氣換熱稱為風(fēng)冷熱泵，缺點(diǎn)在于天氣炎熱或者寒冷最需要冷量或熱量時(shí)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(wú)論在制冷或制熱工況中均處于高效率點(diǎn)。
2．節(jié)能省費(fèi)用：冬季運(yùn)行時(shí)，COP約為4.2，即投入1KW電能，可得到4KW的熱能，夏季運(yùn)行時(shí)，COP可達(dá)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(jié)霜和除霜的用電能耗。
3．環(huán)保：供熱時(shí)沒有燃燒過(guò)程，避免了排煙污染，供冷時(shí)省了冷卻塔，避免了噪音及霉菌污染。
4．舒適：因?yàn)榈卦礋岜脵C(jī)組供冷暖時(shí)都是通過(guò)冷熱水經(jīng)風(fēng)機(jī)旁管（或地板管、墻埋管）交換完成的，所產(chǎn)生的冷氣和暖氣（或輻射熱）比常規(guī)空調(diào)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(chǎng)，節(jié)省了土地資源，產(chǎn)生附加經(jīng)濟(jì)效益，并改善了建筑物的外部形象。
6．安全：無(wú)燃燒設(shè)備，從而不存在爆炸、失火和中毒的隱患。
7．機(jī)組壽命長(zhǎng)：熱泵機(jī)組長(zhǎng)期在良好的低溫井水（16℃）下進(jìn)行熱交換工作，可大大延長(zhǎng)機(jī)組壽命。
8．一機(jī)多用：地源熱泵系統(tǒng)可供暖，空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來(lái)的鍋爐加空調(diào)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(guò)熱泵將大地淺層的低位熱能提高對(duì)建筑供暖，同時(shí)蓄存冷量，以備夏用；夏季通過(guò)熱泵將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下對(duì)建筑進(jìn)行降溫，同時(shí)蓄存熱量，以備冬用，保證大地?zé)崃康钠胶狻?/p>
10．可分區(qū)控制：中央空調(diào)享受的檔次，又可達(dá)到單體空調(diào)局部控制的效果，不存在“大馬拉小車”。
市場(chǎng)上現(xiàn)有傳統(tǒng)空調(diào)存在如下一系列問題：
1．存在熱島效應(yīng):使得外界局部空間環(huán)境條件惡化。
2．當(dāng)空氣溫度低于零度時(shí)，機(jī)組效率下降，并且當(dāng)環(huán)境溫度低于-5℃時(shí)，機(jī)組效率極低，甚至無(wú)法開機(jī)，需加輔助熱源（家用普通3P機(jī)僅電輔加熱就達(dá)2000W），輔助加熱時(shí)的能效比COP要小于1。
3．冬季室外機(jī)組需要頻繁停機(jī)除霜，其結(jié)果是除霜損失約占熱泵總能耗的10.2%，如普通3P機(jī)就要增加300瓦電能浪費(fèi)。武漢地區(qū)因?yàn)榭諝鉂穸却?，一般?dāng)環(huán)境溫度5℃時(shí)外機(jī)就開始結(jié)霜。
4．夏天當(dāng)空氣溫度高于35℃時(shí)，常規(guī)空調(diào)機(jī)組效率開始下降，空氣溫度越高，機(jī)組制冷效率越低，能耗增加。在空氣溫度為30℃時(shí)，常規(guī)空調(diào)機(jī)組能效比COP也僅有2.2左右。
5．室外機(jī)或冷卻塔有噪音及霉菌污染。
6．室外機(jī)（壓縮機(jī)）長(zhǎng)年暴露在露天，壽命大大減少?；覊m集在散熱器上，起了保溫作用，增加了能耗。
7．常規(guī)中央空調(diào)不能分區(qū)分部控制，即存在“大馬拉小車”問題。
地源熱泵空調(diào)采集能源方式對(duì)比
地源熱泵系統(tǒng)有幾種采集能源方式：
1.抽取江河湖海水源；
2.抽取地下井水源；
3.埋設(shè)地埋管。
抽取江河湖海水源和抽取地下井水源方式一般用于大型建筑較多，埋設(shè)地埋管方式用于大型建筑近幾年也多了起來(lái)，如武漢新火車站、湖北新檔案館、武漢奇石館、上海國(guó)際會(huì)展中心等。
江河湖海中的水含有雜質(zhì)及礦物質(zhì)較多，也就是水的硬度較高，設(shè)備及系統(tǒng)易結(jié)垢，時(shí)間長(zhǎng)系統(tǒng)效率下降，另外，設(shè)備維護(hù)量大，也影響設(shè)備運(yùn)行壽命。地下井水的硬度就更高，鈣鎂含量非常高，趨于飽和，結(jié)垢就更加容易。
地下埋管方式不存在設(shè)備系統(tǒng)結(jié)垢問題，因管道里的水是密閉循環(huán)的一次性充填的自來(lái)水，不與土直接接觸，不會(huì)溶解土石中的鈣鎂化合物，也就不存在結(jié)垢問題。
抽取江河湖海水源和抽取地下井水源方式比地下埋管方式一次性投資要少許多，在大型項(xiàng)目上較劃算，因?yàn)?，大型?xiàng)目本身配有專業(yè)操作維護(hù)人員，另外節(jié)省的一次性投資價(jià)差利息可支付給專業(yè)操作維護(hù)人員工資、維護(hù)費(fèi)和配件費(fèi)。
家庭別墅地源熱泵用抽取地下及井水源方式存在的問題：
一、因地下水長(zhǎng)期與土壤和巖石接觸，使得地下水硬度很高，地下水極易造成管道和冷熱交換器上結(jié)垢，結(jié)垢大大影響設(shè)備效率。因此，每年需兩次（兩個(gè)使用季節(jié)）用酸性液體清洗設(shè)備結(jié)垢，對(duì)家庭較麻煩也很費(fèi)工（但大型建筑使用抽水方式比較合適，埋管與抽水方式價(jià)差較大，用價(jià)差利息可請(qǐng)專人清洗和維護(hù)設(shè)備）。
二、用酸性液體清洗管道和冷熱交換器上結(jié)垢時(shí)，比較容易腐蝕設(shè)備中的銅體部件及鐵金屬管道，將大大減少設(shè)備系統(tǒng)的使用壽命。
三、酸性清洗液非常污染環(huán)境，屬于強(qiáng)烈制癌物，必須要用專門的裝置回收。酸性液體可使地板變色，會(huì)燒死草皮等植物，更加會(huì)影響人的健康。
四、抽水井水位會(huì)因氣候變化而上下變動(dòng)，因此會(huì)造成設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行不正常，甚至無(wú)法運(yùn)行,抽水方式只適用于地下水豐富地區(qū)。
五、抽排水井一般視設(shè)計(jì)、施工、操作運(yùn)行情況每1到2年要維護(hù)和清洗一次，否則會(huì)淤井或死井(大孔徑單熱井不會(huì))。
六、抽取地下水如不能很好的同層還回，將會(huì)造成地面下沉(大孔徑單熱井不會(huì))。
沒有足夠深度的江河湖海水源的情況下，別墅裝地源熱泵中央空調(diào)肯定選埋管方式最佳.