地源熱泵對武漢節(jié)能減排的影響分析
王宇波 周戎
（湖北工業(yè)大學湖北循環(huán)經濟研究中心，湖北武漢430068）
王宇波 周戎
（湖北工業(yè)大學湖北循環(huán)經濟研究中心，湖北武漢430068）
摘要：地源熱泵是利用淺表地熱能實現空氣溫度調節(jié)的新技術，具有節(jié)能、環(huán)保的明顯效應。武漢獨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，示范工程的成功運行為大規(guī)模推廣地源熱泵技術提供了可靠依據。在武漢建設“兩型社會”進程中，應采取總體規(guī)劃、集中管理、專項扶持和鼓勵創(chuàng)新等措施，以充分發(fā)揮地源熱泵技術對武漢“節(jié)能減排”的重要作用。
關鍵詞：地源熱泵、節(jié)能減排、武漢市。
影響分析武漢是我國中部地區(qū)的特大城市，是國家級“兩型社會”建設綜改試驗區(qū)的核心城市，城鎮(zhèn)人口已達600萬人，同時，武漢又是長江上的三大“火爐”之一，夏季空調用能較大。2008年7月18日，武漢市電力負荷創(chuàng)下510.5萬kW 的新高，其中一半為降溫用電，相當于255萬臺1.5匹空調機同時開啟。在大量采用分體式空氣冷卻空調機組的情況下，武漢空調用電效率較低，平均ERR不到1.9；市中心和建筑物密集區(qū)域空調對外散熱，造成了較為嚴重的熱島效應；由于武漢不屬于強制采暖區(qū)，集中供熱面積只占總建筑面積的1%，而冬天相對較低的氣溫也使得采暖電負荷日益上升，氣溫低于零度情況下空調制熱效果很差。湖北是化石能源緊缺的省份，2008年夏天電力供應已發(fā)出橙色警報，開始動員部分企業(yè)停產讓電，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，加快武漢空調系統(tǒng)改造升級步伐已迫在眉睫。
1、地源熱泵節(jié)能原理及示范工程
1.1、地熱能與地源熱泵
地熱能是蘊藏在地球內部的熱能。據估計在地表層10km以下的范圍內，地熱資源就相當于全部煤炭儲量熱值的7萬倍，但地熱的直接開發(fā)利用受到地域條件和開采技術的嚴格限制；地球淺表（400m）的土壤和含水層中，也是一個巨大的熱能庫，但大多數區(qū)域溫度較低，不能直接利用[1]。熱泵技術是利用工質形態(tài)變化時吸熱和防熱過程“搬運”能量的裝置，熱泵在工作時，把環(huán)境介質中貯存的能量QA 在蒸發(fā)器中加以吸收；它本身消耗一部分能量，即壓縮機耗電QB；通過工質循環(huán)系統(tǒng)在冷凝器中進行放熱QC，QC=QA+QB，由此可以看出，熱泵輸出的能量為壓縮機做的功QB 和熱泵從環(huán)境中吸收的熱量QA；因此，采用熱泵技術可以節(jié)約大量的電能。
根據熱力學第二定律，高品位熱源在轉化為低品位熱能時伴隨著巨大的熵增損失，而且直接利用低能或燃料轉換能量時系統(tǒng)效率不可能超過100%，如燃氣熱水器，因為有高溫廢氣的排放、不完全燃燒、強制排煙及換熱效率方面的損失，實際的制熱系數僅在0.5-0.7之間。依據熱泵原理使人類科學使用低溫熱能成為現實，目前熱泵型冷熱雙效空調產品中，即以室外空氣為熱源對室內空氣進行加熱，以達到節(jié)能的目的，其系統(tǒng)ERR 系數已能達4，但是，依靠空氣作為低溫熱源，由于其比熱容低，換熱效果差，需要較大的換熱面，而且對室外空氣溫度的影響也很大。水的比熱容是空氣的4180 倍，換熱系數要高20倍，如果以水為地溫熱源，將使熱泵效率大大提高，土壤特別是含水率較高的不凍土壤，都比空氣熱源的轉換效率高。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能庫，實現有限室內空間熱量的置換轉移到具有較大熱容量的水體或土壤中，在改善室內溫度條件的同時又不對環(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施的空調冷源，由于效果較差而且耗水量巨大而被放棄。地源熱泵從本質上講就是利用地下熱源作為熱量調節(jié)庫，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，通過地質勘探，尋找水溫較低、儲水量大的含水層，抽取地下水作為冷媒。為保護地下水資源，大多將使用后的地下水進行回灌；近期發(fā)展趨勢則是不再抽水，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行?；毓嗦什桓吆退廴締栴}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熱，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用較高，特別是遇到堅硬的地下巖層時，工程造價急劇攀升。山東省近年來地源空調發(fā)展迅速，雖然平均鉆孔深度達到150m，但由于采暖面積很大、施工方進口了先進的巖石鉆機而使鉆孔每米單價下降較多。在土壤鉆孔形成管孔群并以U 形管換熱器組成熱源管網，幾乎對環(huán)境不構成有害影響，運行穩(wěn)定，成為目前被世界所推崇的先進技術。
（3）土壤與水源混合型：是在大型公共設施或小區(qū)空調系統(tǒng)中，根據當地地質和水源狀況，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，實現空調與熱水的集中供應，有條件的地方還可將太陽能集熱系統(tǒng)并入空調設施、統(tǒng)籌安排，實現能源節(jié)約和使用效益的最大化。
詳細資料下載：地源熱泵對武漢節(jié)能減排的影響分析.pdf
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