地源热泵系统的分类及工作原理

地源热泵(Ground-Source Heat Pumps,GSHP)包括:地埋管地源热泵(Ground-Coupled Heat Pumps,GCHP)、地表水源热泵(Surface Water Heat Pumps,SWHP)、地下水源热泵(Ground water Heat Pumps,GWHP)。

地源热泵的分类

图:地源热泵的分类

1、地埋管地源热泵

地埋管地源热泵系统利用土壤作为热源/热汇,它由热泵机组与一组埋于地下的埋地换热器构成,埋地换热器通常为高密度聚乙烯管或聚丁烯管,通过循环流体(水或防冻液)在封闭地下埋管中的流动,实现系统与大地之间的换热。

地埋管地源热泵工作原理

图:地埋管地源热泵工作原理(冬季供热)

在地埋管地源热泵系统的运行过程中,建筑负荷动态变化与地下土壤换热是密切相关、互相耦合的;因此,这种热泵又被称为土壤耦合热泵。

埋地换热器的埋管方式分为水平埋管和竖直埋管两种。

1)水平埋管为浅层埋设,施工方便,初投资低于竖直埋管,但占用的土地面积较大,浅层土壤的温度受地面气温影响较大,单位管长的换热量较小。

2)竖直埋管的初投资较高,但深层土壤的温度全年比较稳定,热泵系统的运行也更稳定,是常采用的一种形式。

主要问题

对于竖直埋管热泵系统,如果埋地换热器冬季取热量与夏季放热量不平衡,则地下热平衡会被破坏,导致地下土壤温度越来越高或越来越低,埋地换热器的换热效果会受到影响。

2、地表水源热泵

地表水源热泵是指利用地球表面淡水和海水的地源热泵系统,根据所利用水源的不同,地表水源热泵可分为淡水源热泵和海水源热泵;此外,有些学者把污水源热泵也归为地表水源热泵。

地表水源热泵工作原理

图:地表水源热泵工作原理

根据地表水循环环路的结构形式将地表水源热泵分为开式和闭式两种形式。开式系统初投资较低,适合于规模较大的系统,如区域供冷供热系统。闭式系统将换热盘管放置在地表水体中,通过盘管内的循环介质与地表水进行换热,闭式系统换热盘管的材料多采用聚乙烯管,实际上这种闭式系统与地埋管地源热泵系统类似。

主要问题

开式系统对水质有较高的要求,否则换热器容易产生结垢、腐蚀、藻类或微生物滋长等现象。

闭式系统可以避免热泵机组换热器或中间换热器内部腐蚀、结垢等现象,但是盘管的外表面受地表水水质的影响,往往会结垢,使外表面换热系数降低,需要定期维护与清洗。在冬季气候寒冷的地区,为了防止制热时循环介质冻结,闭式系统需要采用防冻液作为循环介质。

3、地下水源热泵

地下水源热泵系统从水井抽取的地下水,经过换热后通过回灌井把地下水回灌到原来的地下含水层。

地下水源热泵工作原理

图:地下水源热泵工作原理

地下水源热泵的应用需要有丰富而稳定的地下水源。在决定采用地下水源热泵之前,要做详细的水文地质调查;要打勘测井,以我取地下水温度、地下水深度、水质和出水量等数据。

主要问题

地下水源热泵需要有成熟的地下水回灌技术,如果回灌的速度低于抽水的速度,从地下抽出来的水经过换热器后很难再被全部回灌到含水层内,造成地下水资源的流失。如果不加以规范,势必会造成地下水水位下降,诱发地面沉降、海水入侵和突发性岩岩溶坍塌等一系列环境、地质问题。此外,即使能够把抽取的地下水全部回灌,怎样保证地下水层不受污染也是一个棘手的问题。

参考资料:
[1] 陈晓. 地表水源热泵理论及应用[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2011.05.
[2] 马最良, 吕悦. 地源热泵系统设计与应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2013.7.

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