资源环境可持续发展的热泵应用问题讨论
【摘 要】 【关键词】
近年来随着资源和环境的问题日益严重，在满足人们健康、舒适要求的前提下，合理利用自然资源，保护环境，减少常规能源消耗，已成为暖通空调行业需要面对的一个重要问题。适应这一要求，作为空调冷热源中能源转换效率最高的热泵应用技术，正受到人们的日益重视和关注。
在热泵技术应用研究中，关键要解决如下问题：合适的低温热源、适宜的制冷工质、合理驱动方式。热泵技术的应用和推广，不仅要适应能源的结构调整和环境保护的需要，也要在初投资和运行成本上，具有和常规空调冷热源相竞争的优势。
一、地源热泵系统形式
水源热泵分为地表水源和地下水源两种形式。地表水源主要包括江、河、湖、海等水资源。近几年，城市污水资源作为一种优良的热泵低温资源，其良好的经济效益和环境效益正受到人们的重视。
地下水源热泵和土壤源热泵都是利用丰富的地热资源，可统称为地源热泵。作为一项旨在解决空调冷热源问题的新技术，地源热泵以其高效、节能、舒适，而且安装施工简单、运行维护方便等优点，近年来越来越受到人们的重视。
地下水源热泵指利用水泵直接抽取地下水与制冷剂进行热交换，并在合适地点回灌或排放，即通常所说的开路系统。开路系统存在的主要问题是回灌技术要求较高，回灌设施投资和运行费用较高，机组性能受地下水文地质条件的变化影响较大，地热水对管路系统和设备的腐蚀问题以及地热井的开采和地热水的抽取可能引发的环境地质问题等。
闭路系统是利用地下埋管与土壤或用井下换热器与地热水进行热交换，土壤源热泵即属于闭路系统。闭路系统一般采用间接膨胀式，即制冷剂与大地之间通过中介流体进行热交换，地下盘管自成封闭系统。管内流体可以是水、盐水或乙二醇水溶液。根据地下埋管的布置形式，系统又分成水平埋管和垂直埋管，垂直布置的埋设深度一般为30～180m。在垂直埋管地源热泵系统中，按埋管换热器形式的不同，又分为套管和U型管两种形式。相比较而言，U型埋管换热器施工简单，运行可靠，在地源热泵系统中得到了较广泛的应用。按热泵与空调末端系统的耦合方式，又可分为水—水地源热泵和空气－水地源热泵。水－水热泵因为要增加一次中间换热和水的输送，所以系统的总性能系数要低于空气－水地源热泵。我国目前所开展的研究主要系统形式都是水－水耦合的方式。
二、土壤热特性和回填材料对地源热泵性能的影响
土壤的热特性对地源热泵系统的性能影响较大。土壤热特性主要与组成土壤的固体颗粒成分、导热性能、土壤的含水量、密度有关。Leong等（1998）进行了土壤成分和含水量对埋管换热器和热泵性能的研究。研究表明，干燥土壤的地源热泵的性能系数COP要比潮湿土壤的COP低35%，当土壤含水量低于15%时，随着含水量的降低，热泵的循环性能系数将迅速下降。土壤含水量在25%以上，地源热泵的性能将会得到有效的提高，而当含水量超过50%后，含水量的增加，热泵循环性能系数提高的趋势减缓。
土壤含水量从50%增加到100%，其COP仅增加1.5%。
在U型埋管和管井之间填充适当的材料，可以使管道和井璧的接触更加紧密，提高埋管换热器的传热效果。同时，回填材料可以有效防止土壤冻结、收缩、板结等对埋管换热器的传热效果的影响，也可有效防止地下污染物对埋管的不利影响，因此选择适当的回填材料对地源热泵的性能有重要的影响。目前应用的回填材料主要有沙土混合物，水泥灰浆和火山灰粘土等。从提高埋管换热器性能来看，水泥灰浆回填具有更大的优越性。
对于严寒地区地源热泵的应用，除应注意埋管内流动介质的防冻外，尚应注意由于埋管自地下取热可能导致的土壤冻结对地源热泵性能的影响。量输出，也降低了系统的COP。当机组停运一段时间，冻结的土壤融化，埋管断面又恢复到原来的形状。根据现场情况分析，管道挤压问题的产生，主要是由于土壤膨胀产生的应力大于了埋管的抗压强度。如果地下土壤和回填材料具有不易冻结的性质，则管道不会出现挤压现象。实验表明，管道最大挤压出现的部位位于U型管进水管的中部。当管内流体温度在-5℃～-10℃范围内，管道挤压的程度随温度的降低而增加，当温度保持在-2℃时，管道没有明显的挤压现象。由于管道挤压，在-5℃～-10℃范围内管道断面积的减小由6%增加到32%。与进水管相比，U型管的出水管部分在实验的温度范围内没有出现明显的挤压现象。
在严寒地区，保证土壤埋管附近的土壤温度在冻结点以上是防止由于土壤冻结膨胀而对埋管产生挤压的根本措施。另外一个有效的措施是选用合适的回填材料，如水泥灰浆不但可有效提高埋管的传热效果，也可防止由于土壤膨胀对埋管可能形成的挤压。
三、结论
在空调制冷领域应用热泵技术，应综合考虑资源、环境和经济效益之间的关系，就目前而言，应尽量扩大可再生能源和低品位能的应用范围，应加快常规工质的地源热泵的应用和推广研究。就对环境的长期影响和资源的合理利用来看，以可再生能源为热源、以清洁能源为动力和采用自然工质的热泵技术将是解决空调冷热源的根本措施。
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