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資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的熱泵應用問題討論
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，合理利用資源，保護環(huán)境，減少常規(guī)能源消耗，已成為暖通空調(diào)行業(yè)需要面對的一個重要問題。適應這一要求，作為空調(diào)冷熱源中能源轉(zhuǎn)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。熱泵 資源環(huán)境
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(diào)行業(yè)需要面對的一個重要問題。適應這一要求，作為空調(diào)冷熱源中能源轉(zhuǎn)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(zhì)、合理驅(qū)動方式。熱泵技術的應用和推廣，不僅要適應能源的結(jié)構調(diào)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(diào)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(diào)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(zhì)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(zhì)問題等。
閉路系統(tǒng)是利用地下埋管與土壤或用井下?lián)Q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(nèi)流體可以是水、鹽水或乙二醇水溶液。根據(jù)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(diào)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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?shù)牟牧�，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(jié)、收縮、板結(jié)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?shù)幕靥畈牧蠈Φ卦礋岜玫男阅苡兄匾挠绊憽Ｄ壳皯玫幕靥畈牧现饕猩惩粱旌衔�，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(nèi)流動介質(zhì)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(jié)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(jié)的土壤融化，埋管斷面又恢復到原來的形狀。根據(jù)現(xiàn)場情況分析，管道擠壓問題的產(chǎn)生，主要是由于土壤膨脹產(chǎn)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(jié)的性質(zhì)，則管道不會出現(xiàn)擠壓現(xiàn)象。實驗表明，管道最大擠壓出現(xiàn)的部位位于U型管進水管的中部。當管內(nèi)流體溫度在-5℃～-10℃范圍內(nèi)，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(xiàn)象。由于管道擠壓，在-5℃～-10℃范圍內(nèi)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(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的擠壓現(xiàn)象。
在嚴寒地區(qū)，保證土壤埋管附近的土壤溫度在凍結(jié)點以上是防止由于土壤凍結(jié)膨脹而對埋管產(chǎn)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(jié)論
在空調(diào)制冷領域應用熱泵技術，應綜合考慮資源、環(huán)境和效益之間的關系，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(zhì)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工質(zhì)的熱泵技術將是解決空調(diào)冷熱源的根本措施。
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