地源熱泵系統(tǒng)的分類及工作原理
時間:2022-02-18
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地源熱泵（Ground-Source Heat Pumps，GSHP）包括：地埋管地源熱泵（Ground-Coupled Heat Pumps，GCHP）、地表水源熱泵（Surface Water Heat Pumps，SWHP）、地下水源熱泵（Ground water Heat Pumps，GWHP）。
圖：地源熱泵的分類
地埋管地源熱泵系統(tǒng)利用土壤作為熱源/熱匯，它由熱泵機組與一組埋于地下的埋地換熱器構成，埋地換熱器通常為高密度聚乙烯管或聚丁烯管，通過循環(huán)流體（水或防凍液）在封閉地下埋管中的流動，實現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的換熱。
圖：地埋管地源熱泵工作原理（冬季供熱）
在地埋管地源熱泵系統(tǒng)的運行過程中，建筑負荷動態(tài)變化與地下土壤換熱是密切相關、互相耦合的；因此，這種熱泵又被稱為土壤耦合熱泵。
埋地換熱器的埋管方式分為水平埋管和豎直埋管兩種。
1）水平埋管為淺層埋設，施工方便，初投資低于豎直埋管，但占用的土地面積較大，淺層土壤的溫度受地面氣溫影響較大，單位管長的換熱量較小。
2）豎直埋管的初投資較高，但深層土壤的溫度全年比較穩(wěn)定，熱泵系統(tǒng)的運行也更穩(wěn)定，是常采用的一種形式。
主要問題
對于豎直埋管熱泵系統(tǒng)，如果埋地換熱器冬季取熱量與夏季放熱量不平衡，則地下熱平衡會被破壞，導致地下土壤溫度越來越高或越來越低，埋地換熱器的換熱效果會受到影響。
地表水源熱泵是指利用地球表面淡水和海水的地源熱泵系統(tǒng)，根據(jù)所利用水源的不同，地表水源熱泵可分為淡水源熱泵和海水源熱泵；此外，有些學者把污水源熱泵也歸為地表水源熱泵。
圖：地表水源熱泵工作原理
根據(jù)地表水循環(huán)環(huán)路的結構形式將地表水源熱泵分為開式和閉式兩種形式。開式系統(tǒng)初投資較低，適合于規(guī)模較大的系統(tǒng)，如區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)。閉式系統(tǒng)將換熱盤管放置在地表水體中，通過盤管內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)與地表水進行換熱，閉式系統(tǒng)換熱盤管的材料多采用聚乙烯管，實際上這種閉式系統(tǒng)與地埋管地源熱泵系統(tǒng)類似。
主要問題
開式系統(tǒng)對水質(zhì)有較高的要求，否則換熱器容易產(chǎn)生結垢、腐蝕、藻類或微生物滋長等現(xiàn)象。
閉式系統(tǒng)可以避免熱泵機組換熱器或中間換熱器內(nèi)部腐蝕、結垢等現(xiàn)象，但是盤管的外表面受地表水水質(zhì)的影響，往往會結垢，使外表面換熱系數(shù)降低，需要定期維護與清洗。在冬季氣候寒冷的地區(qū)，為了防止制熱時循環(huán)介質(zhì)凍結，閉式系統(tǒng)需要采用防凍液作為循環(huán)介質(zhì)。
地下水源熱泵系統(tǒng)從水井抽取的地下水，經(jīng)過換熱后通過回灌井把地下水回灌到原來的地下含水層。
圖：地下水源熱泵工作原理
地下水源熱泵的應用需要有豐富而穩(wěn)定的地下水源。在決定采用地下水源熱泵之前，要做詳細的水文地質(zhì)調(diào)查；要打勘測井，以我取地下水溫度、地下水深度、水質(zhì)和出水量等數(shù)據(jù)。
主要問題
地下水源熱泵需要有成熟的地下水回灌技術，如果回灌的速度低于抽水的速度，從地下抽出來的水經(jīng)過換熱器后很難再被全部回灌到含水層內(nèi)，造成地下水資源的流失。如果不加以規(guī)范，勢必會造成地下水水位下降，誘發(fā)地面沉降、海水入侵和突發(fā)性巖巖溶坍塌等一系列環(huán)境、地質(zhì)問題。此外，即使能夠把抽取的地下水全部回灌，怎樣保證地下水層不受污染也是一個棘手的問題。
參考資料：
陳曉. 地表水源熱泵理論及應用. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2011.05.
馬最良, 呂悅. 地源熱泵系統(tǒng)設計與應用. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2013.7.
