論文關鍵詞:地源熱泵 節能 環保 可持續發展 研究
論文摘要:闡述了地源熱泵技術的工作原理、分類及其應用意義，分析了地源熱泵的特點及經濟效益，介紹了地源熱泵的發展歷史以及國內對地源熱泵的研究現狀，提出地源熱泵在我國節能、環保、可持續發展中具有廣闊的前景。
1引言
當今社會由於經濟的快速發展和人口急劇增長，世界性的生態破壞、環境污染和資源匿乏已經達到自然生態環境所能承受的極限;能源、資源、環境的制約，已成爲阻礙各國未來經濟發展的瓶頸。爲緩解巨大的能源與環境壓力，近年來節能減排已成爲全社會發展的新主題。人們積極採取各種應對措施，將可再生能源列人國家能源發展的優先領域，使能源結構體系從以化石燃料爲主體的能源時代過渡到可持續發展的能源時代。地源熱泵技術的開發和應用，就是人們選擇的應對措施之一。地源熱泵技術是一種利用地下淺層地熱資源，實現向建築物提供採暖、製冷和生活熱水的高效節能環保型空調技術。地源能是一種潔淨的可再生能源，它具有熱流密度大、容易收集和輸送、參數穩定(流量、溫度)、使用方便、不受地域限制等優點。熱泵的理論基礎源於卡諾循環，與製冷機相同，按照逆循環工作，即通過輸入少量的高品位能源(如電能)，以地源能作爲熱泵夏季製冷的冷卻源、冬季採暖供熱的低溫熱源。在冬季，把地能中的熱量“取”出來，提高溫度後，供給室內採暖，同時儲存冷量，以備夏用;夏季通過熱泵對室內進行降溫，同時把室內的熱量釋放到地下，進行熱量儲存，以備冬用，大地在整個循環中起到了蓄熱器的作用。地源熱泵系統中70%能量是從大地中獲得的可再生能源。以其作爲主要能源供給，既節約大量能源，又有效地減少, :及粉塵的排放。這項技術與傳統空調系統相比，優勢在於它實現了節能與環保的統一。
2地源熱泵系統工作環境及原理
2.1地源熱泵的工作環境
距地下30~300 m之間的地層是一個恆溫帶，其溫度源於地球表面太陽熱輻射和地核熱傳導的綜合作用，被人們稱爲綜合平衡層又稱地下淺層。溫度一年四季相對穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低。地源熱泵系統就是利用這一恆溫帶中的土壤、卵石、岩石中的地下含水層以及深層地表水作熱泵的源與匯，向建築物冬季供熱、夏季供冷。
2.2地源熱泵的結構和工作原理
2.2.1結構
地源熱泵系統主要由室外地源換熱系統、熱泵機組和室內空調末端系統3部分組成。熱泵機組爲主動力部分，由製冷壓縮機、蒸發器、冷凝器、膨脹閥等組成迴路。其中壓縮機是熱泵系統的心臟，通過電能驅動壓縮機，不斷地壓縮和輸送循環工質從低溫低壓處到高溫高壓處，且周而復始地進行循環;蒸發器是輸出冷量的設備，它的.作用是使經節流閥流人的製冷劑液體蒸發，以吸收被冷卻物體的熱量，達到製冷的目的;冷凝器是輸出熱量的設備，將從蒸發器中吸收的熱量及壓縮機消耗功所轉化的熱量，在冷凝器中被冷卻介質帶走，達到制熱的目的;膨脹閥或稱節流閥對循環工質起到節流降壓作用，並調節進人蒸發器的循環工質流量。
2.2.2供熱原理
圖1爲地源熱泵供熱系統原理。其工作原理如下:首先在製冷迴路內充注製冷劑。壓縮機通入三相交流電高速旋轉，將低溫低壓制冷劑氣體吸入壓縮機。經壓縮後變成高壓高溫氣體，該氣體經冷凝器被冷卻水冷卻，又變成中壓中溫的製冷劑液體，該液體經過膨脹閥節流減壓後送人蒸發器。由於蒸發器連接在壓縮機的吸氣口上，壓縮機不停地吸入蒸發器的製冷劑氣體，使得進人蒸發器的大量製冷劑壓力減低，製冷劑進一步大量蒸發。由於蒸發器另一側與室外地源換熱系統的地下潛水泵連接，所以當地下水大量流過蒸發器時，被蒸發的製冷劑帶走地下水中的大量熱量。這些低溫熱量通過被蒸發的製冷劑吸收變成了製冷劑熱量，又被源源不斷地吸人壓縮機。經壓縮機壓縮之後，變成爲80~90℃的高溫氣體，這些高溫氣體在通過冷凝器冷卻的同時，把大量的熱量傳給了冷凝器另一側，即室內空調末端系統，也稱採暖系統。製冷劑氣體被冷卻的過程，也可以看做是將高溫熱量傳遞給冷卻系統的過程，或者是對採暖系統的加熱過程，採暖系統水溫一般爲50～60℃通過室內空調末端系統的風機盤管或暖氣片向房間供熱。
從能量轉換角度來講，熱泵機組壓縮機將電能變爲機械能，再將機械能變成爲熱能。壓縮機輸出的總熱能爲壓縮機電功率與壓縮機吸收來自地下的熱能之和，而地下熱能遠遠大於壓縮機的電功率。一般從地下水中提取的熱能是壓縮機電功率產生熱能的4~5倍，因此熱泵機組的能效比約爲4.5，而電鍋爐的能效比爲0.9~0.98。
2.2.3製冷原理
圖2是地源熱泵製冷系統原理。熱泵的製冷工作原理與圖1所示相同，製冷劑迴路保持不變。但通過轉換閥門將室內空調末端系統(即製冷迴路)連接在蒸發器的吸熱端;室外地源換熱系統連接在冷凝器的放熱端。熱泵機組製冷時，壓縮機將吸熱端吸人的低溫低壓制冷劑氣體經壓縮後變成高溫高壓制冷劑氣體排人冷凝器後，被接在冷凝器側地下水系統冷卻變成中溫中壓制冷劑液體。製冷劑液體通過膨脹閥節流減壓後，進人蒸發器進一步膨脹、蒸發、吸熱，使製冷劑由液體變成氣體又被壓縮機吸熱端吸人。再經壓縮機壓縮後，又變成高溫高壓制冷劑氣體排人冷凝器，同時也將蒸發器側的室內空調末端系統(即空調房間)的熱量源源不斷地經放熱端的冷凝器排人地下水中。吸收了水中熱量的製冷劑液體蒸發後又由液態變成氣態被壓縮機吸人、壓縮、放熱。周而復始、循環往復完成了製冷全過程。
將地源熱泵系統製冷時產生的廢熱回收，可製成50--55℃生活用熱水，節省用於制熱水耗用的燃油或煤，對空氣無污染，達到制熱水不耗能的節能效果;同時由於製出的冷凍水可補充到回水系統中，以降低迴水系統的回水溫度，從而提高了製冷效率，降低了製冷系統的耗電量。
3地源熱泵的分類
按照冷熱源的不同，可將地源熱泵系統分爲以利用土壤作爲冷熱源的土壤源熱泵、以利用地下水爲冷熱源的地下水熱泵系統和以利用地表水爲冷熱源的地表水熱泵系統3類。
3.1土壤源熱泵
土壤源熱泵是利用地下岩土層中熱量進行閉路循環的熱泵系統。熱泵的換熱器埋於地下，與大地進行冷熱交換。它通過循環液(水或以水爲主要成分的防凍液)在密閉地下埋管中的流動，實現系統與大地之間的傳熱。冬季供熱時，流體從地下收集熱量，再通過系統把熱量帶到室內。夏季製冷時系統逆向運行，即從室內帶走熱量，再通過系統將熱量送到地下岩土層中。