地源熱泵對(duì)武漢節(jié)能減排的影響分析
王宇波 周戎
（湖北工業(yè)大學(xué)湖北循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究中心，湖北武漢430068）
王宇波 周戎
（湖北工業(yè)大學(xué)湖北循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究中心，湖北武漢430068）
摘要：地源熱泵是利用淺表地?zé)崮軐?shí)現(xiàn)空氣溫度調(diào)節(jié)的新技術(shù)，具有節(jié)能、環(huán)保的明顯效應(yīng)。武漢獨(dú)特的地理氣候條件和豐富的地下水資源使得地源熱泵系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展空間，示范工程的成功運(yùn)行為大規(guī)模推廣地源熱泵技術(shù)提供了可靠依據(jù)。在武漢建設(shè)“兩型社會(huì)”進(jìn)程中，應(yīng)采取總體規(guī)劃、集中管理、專項(xiàng)扶持和鼓勵(lì)創(chuàng)新等措施，以充分發(fā)揮地源熱泵技術(shù)對(duì)武漢“節(jié)能減排”的重要作用。
關(guān)鍵詞：地源熱泵、節(jié)能減排、武漢市。
影響分析武漢是我國(guó)中部地區(qū)的特大城市，是國(guó)家級(jí)“兩型社會(huì)”建設(shè)綜改試驗(yàn)區(qū)的核心城市，城鎮(zhèn)人口已達(dá)600萬(wàn)人，同時(shí)，武漢又是長(zhǎng)江上的三大“火爐”之一，夏季空調(diào)用能較大。2008年7月18日，武漢市電力負(fù)荷創(chuàng)下510.5萬(wàn)kW 的新高，其中一半為降溫用電，相當(dāng)于255萬(wàn)臺(tái)1.5匹空調(diào)機(jī)同時(shí)開(kāi)啟。在大量采用分體式空氣冷卻空調(diào)機(jī)組的情況下，武漢空調(diào)用電效率較低，平均ERR不到1.9；市中心和建筑物密集區(qū)域空調(diào)對(duì)外散熱，造成了較為嚴(yán)重的熱島效應(yīng)；由于武漢不屬于強(qiáng)制采暖區(qū)，集中供熱面積只占總建筑面積的1%，而冬天相對(duì)較低的氣溫也使得采暖電負(fù)荷日益上升，氣溫低于零度情況下空調(diào)制熱效果很差。湖北是化石能源緊缺的省份，2008年夏天電力供應(yīng)已發(fā)出橙色警報(bào)，開(kāi)始動(dòng)員部分企業(yè)停產(chǎn)讓電，為確保群眾生活不受酷熱氣候影響，利用地源熱泵節(jié)能效果顯著的優(yōu)勢(shì)，加快武漢空調(diào)系統(tǒng)改造升級(jí)步伐已迫在眉睫。
1、地源熱泵節(jié)能原理及示范工程
1.1、地?zé)崮芘c地源熱泵
地?zé)崮苁翘N(yùn)藏在地球內(nèi)部的熱能。據(jù)估計(jì)在地表層10km以下的范圍內(nèi)，地?zé)豳Y源就相當(dāng)于全部煤炭?jī)?chǔ)量熱值的7萬(wàn)倍，但地?zé)岬闹苯娱_(kāi)發(fā)利用受到地域條件和開(kāi)采技術(shù)的嚴(yán)格限制；地球淺表（400m）的土壤和含水層中，也是一個(gè)巨大的熱能庫(kù)，但大多數(shù)區(qū)域溫度較低，不能直接利用[1]。熱泵技術(shù)是利用工質(zhì)形態(tài)變化時(shí)吸熱和防熱過(guò)程“搬運(yùn)”能量的裝置，熱泵在工作時(shí)，把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量QA 在蒸發(fā)器中加以吸收；它本身消耗一部分能量，即壓縮機(jī)耗電QB；通過(guò)工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)在冷凝器中進(jìn)行放熱QC，QC=QA+QB，由此可以看出，熱泵輸出的能量為壓縮機(jī)做的功QB 和熱泵從環(huán)境中吸收的熱量QA；因此，采用熱泵技術(shù)可以節(jié)約大量的電能。
根據(jù)熱力學(xué)第二定律，高品位熱源在轉(zhuǎn)化為低品位熱能時(shí)伴隨著巨大的熵增損失，而且直接利用低能或燃料轉(zhuǎn)換能量時(shí)系統(tǒng)效率不可能超過(guò)100%，如燃?xì)鉄崴鳎驗(yàn)橛懈邷貜U氣的排放、不完全燃燒、強(qiáng)制排煙及換熱效率方面的損失，實(shí)際的制熱系數(shù)僅在0.5-0.7之間。依據(jù)熱泵原理使人類科學(xué)使用低溫?zé)崮艹蔀楝F(xiàn)實(shí)，目前熱泵型冷熱雙效空調(diào)產(chǎn)品中，即以室外空氣為熱源對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行加熱，以達(dá)到節(jié)能的目的，其系統(tǒng)ERR 系數(shù)已能達(dá)4，但是，依靠空氣作為低溫?zé)嵩矗捎谄浔葻崛莸?，換熱效果差，需要較大的換熱面，而且對(duì)室外空氣溫度的影響也很大。水的比熱容是空氣的4180 倍，換熱系數(shù)要高20倍，如果以水為地溫?zé)嵩矗瑢⑹篃岜眯蚀蟠筇岣?，土壤特別是含水率較高的不凍土壤，都比空氣熱源的轉(zhuǎn)換效率高。地源熱泵正是利用這一原理，把地下水或淺表土壤作為熱源和儲(chǔ)能庫(kù)，實(shí)現(xiàn)有限室內(nèi)空間熱量的置換轉(zhuǎn)移到具有較大熱容量的水體或土壤中，在改善室內(nèi)溫度條件的同時(shí)又不對(duì)環(huán)境溫度造成影響。
1.2、地源熱泵的利用形式
武漢地區(qū)地下10m左右土壤溫度一般在18°C-20°C，早期人們利用深井水直接用作車間廠房和公共設(shè)施的空調(diào)冷源，由于效果較差而且耗水量巨大而被放棄。地源熱泵從本質(zhì)上講就是利用地下熱源作為熱量調(diào)節(jié)庫(kù)，因而其利用形式主要分為水源型和土壤熱源型。
（1）水源型熱泵：是利用地下水或江河湖泊深層地表水作為換熱源的熱泵，通過(guò)地質(zhì)勘探，尋找水溫較低、儲(chǔ)水量大的含水層，抽取地下水作為冷媒。為保護(hù)地下水資源，大多將使用后的地下水進(jìn)行回灌；近期發(fā)展趨勢(shì)則是不再抽水，直接將換熱器放置于地下水層中；還有的將地下水和空氣冷卻塔混合使用以解決大容量換熱問(wèn)題；一些利用江河湖泊底層冷水作為熱源的熱泵也在悄然進(jìn)行?；毓嗦什桓吆退廴締?wèn)題影響水源型熱泵推廣的主要因素。
（2）土壤型熱泵：是在土壤里鉆孔后將換熱管插入底層利用地?zé)?，初期多使用淺表土壤埋管方法。埋管式土壤型熱泵由于占地面積大使用受到限制，而鉆孔式熱泵由于鉆孔費(fèi)用較高，特別是遇到堅(jiān)硬的地下巖層時(shí)，工程造價(jià)急劇攀升。山東省近年來(lái)地源空調(diào)發(fā)展迅速，雖然平均鉆孔深度達(dá)到150m，但由于采暖面積很大、施工方進(jìn)口了先進(jìn)的巖石鉆機(jī)而使鉆孔每米單價(jià)下降較多。在土壤鉆孔形成管孔群并以U 形管換熱器組成熱源管網(wǎng)，幾乎對(duì)環(huán)境不構(gòu)成有害影響，運(yùn)行穩(wěn)定，成為目前被世界所推崇的先進(jìn)技術(shù)。
（3）土壤與水源混合型：是在大型公共設(shè)施或小區(qū)空調(diào)系統(tǒng)中，根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)和水源狀況，使水源與土壤換熱井并用，充分利用鄰近的工業(yè)廢水或污水、天然水體作為輔助熱源，實(shí)現(xiàn)空調(diào)與熱水的集中供應(yīng)，有條件的地方還可將太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)并入空調(diào)設(shè)施、統(tǒng)籌安排，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約和使用效益的最大化。
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