地熱空調是一種通過安裝在地下的系列地溫收集器，從土壤中吸收能量，經過能量轉換實現空調調節功能的系統。“地熱空調”有兩種，一是利用熱泵技術，把“恆溫層”的地下水抽出來，熱量交換後再排回去；一種是土壤源熱泵，利用淺層常溫土壤或地下水中的能量作為能源，在地下埋管，吸收熱能。在地下“恆溫層”，溫度一般穩定在18度左右，地源熱泵利用埋管溫差傳遞，通過壓縮機啟動，能送上60攝氏度的熱水和8攝氏度的冷水。地熱空調系統由壓縮機、水一製冷劑熱交換器、水泵、製冷劑一水(或製冷劑一空氣)熱交換器、節流裝置和電氣控制設備等部件組成,雖然其結構類型多樣,但基本上主要由三大部分組成:室外地熱能換熱器系統、水源熱泵機組和室內空調末端系統。
基本介紹
- 中文名：地熱空調
- 外文名：Geothermal air conditioning
- 關鍵部件：地溫收集器
- 特點：節能環保
- 領域：能源
- 學科：熱力學工程
地熱空調簡介,系統的結構,系統的原理,地熱空調分類,節能環保,發展潛力,技術問題,市場現狀,套用廣泛,
地熱空調簡介
系統的結構
典型的地熱空調系統由壓縮機、水一製冷劑熱交換器、水泵、製冷劑一水(或製冷劑一空氣)熱交換器、節流裝置和電氣控制設備等部件組成,雖然其結構類型多樣,但基本上主要由三大部分組成:室外地熱能換熱器系統、水源熱泵機組和室內空調末端系統。其中水源熱泵是利用水作為冷熱禪的熱泵,而地熱空調系統則是通過水這一介質與地熱資源進行冷熱交換後作為水源熱泵的冷熱源,其中與建築物空調末端系統的換熱介質可以是水或空氣。
熱泵機組與制冷機在熱力學上並無區別,兩者的工作循環均為逆向循環,都具有從低溫熱源吸熱和向高溫熱源放熱的特點,區別僅在於使用目的,當使用目的是從低溫熱源吸熱時系統稱為制冷機,當使用目的是向高溫熱源釋放熱量時系統稱為熱泵,伺一台機器既可供熱又可製冷的系統稱之為熱泵空調系統。
地熱空調通過輸人少量的高品位能源(如電能),就可實現低溫位熱能向高溫位熱能的轉移。冬季通過熱泵將地表淺層中的熱提高其品位對建築物供熱,同時蓄存冷量以備夏用;夏季通過熱泵將建築物內的熱量釋放到地表淺層的土壤中去,從而實現對建築物的降溫,同時蓄存熱量以備冬用;並且夏熱冬冷地區供熱和供冷天數大致相當,冷暖負荷基本相同,採用同一系統可充分發揮地下蓄能的作用。系統的季節性能係數高而穩定,COP通常可達4,即系統每消耗1kw的能量,用戶可以得到4kw以上的熱量或冷量。
系統的原理
相對於地面來說，地下水的溫度一般常年維持在 16 至 18 攝氏度。所謂地熱空調，簡單地說，就是利用地下水溫度冬季比地表高、夏季比地表低所產生的溫差，從而在冬季能夠供熱，在夏季能夠供冷。 從工作機制上講，這種系統不是直接把地下水提上來，而是利用地下水的能量作為能源，在地下埋管，吸收熱能。地源熱泵利用埋管溫差傳遞，通過壓縮機啟動，能送上攝氏 60 度的熱水和攝氏 8 度的冷水，通過冷卻塔，然後把 20 至 26 攝氏度的熱風或冷風送進風道，再從安裝在房頂上面的風口 “ 吹 ” 進每家每戶。因此，它事實上是一種通過一套設備，大家都能共享的中央空調系統。
地熱空調分類
根據室外換熱方式的不同,地熱空調系統可分為三類:(1)土壤埋管系統(有水平埋管和垂直埋管),通過管壁與地下土壤進行換熱;(2)地下水系統;(3)地表水系統。根據循環水路是否密閉,又可分為閉環和開環系統,其中土壤埋管與地表水換熱器方式為閉環系 統,開環系統有抽取地下水、地表水或廢能介質方式。此外,還有一種“直接交換式”系統,它不像上述系統需要採用中間介質水來傳遞熱量,而是將熱泵系統的冷凝器或蒸發器直接埋人地下與地熱能進行熱交換。
根據套用的建築物對象不同,地熱空調系統可分為家用和商用兩大類,其中家用系統多用於小型住宅,別墅等戶式空調。從輸送冷熱量方式看可分為集中系統、分散系統和混合系統三種。集中系統:熱泵布置在機房內,冷、熱量集中通過風道或水路分配系統送到各房間或建築區域實現供冷供熱;分散系統(又稱水環路熱泵系統):採用水環路方式依靠中央水泵的動力作用將水送到各用戶作為冷熱源,用戶單獨使用自己的熱泵機組調節環境的冷熱,一般用於辦公樓、學校和商用建築等;混合系統:將地熱資源、冷卻塔、太陽能集熱或加熱鍋爐聯合使用作為冷熱源的系統,例如,南方地區冷負荷大,熱負荷小,夏季適合聯合使用地熱資源和冷卻塔,而冬季則只使用地熱資源;北方地區熱負荷大,冷負荷小,冬季適合聯合使用地熱資源、太陽能或鍋爐,夏季只使用地熱資源。
節能環保
採用自然地源熱泵系統在採暖和製冷運行中每消耗1KW的電能，用戶可獲得4KW的熱量，其能耗比為1∶4，能效比COP 1千瓦電能產生多少能量在3.54.4之間，比風冷空調高40%左右，運行費用比風冷熱泵低30%、40%。冬天，“地熱空調”代替鍋爐從土壤中取熱給建築物供暖，同時還能提供生活熱水，夏天替代普通空調將室內的熱量排入土壤，為建築物製冷，是一種取之不盡的能源。據悉，深圳的年耗電300多億千瓦時，三分之一是空調耗電，而推廣套用地溫冷暖空調節能50%，每年節省電量50億千瓦時，相當於半個媽灣電廠的發電量。若南京全部用上地熱“空調”，那么僅空調一項就能比原來節電25%-50%。
此外，這種空調沒有外置裝置，採用R410替代氟製冷，不會破壞臭氧層。使用過程中也無任何排出物，對水資源不會造成消耗、破壞或影響。據測算，若安裝地源熱泵40萬台，和採用“化石能源”比，相當於降低溫室氣體排放100萬噸，和50萬輛汽車的污染排放物。熱泵空調在每個房間都有單獨的能量分配器，可以自主調節溫度，在建築外都看不到空調，也聽不到空調的聲音。
發展潛力
我國的地熱資源很豐富，按屬性可分為三種類型：高溫（>150℃）對流型地熱資源，主要集中在環太平洋地熱帶通過的台灣省，地中海-喜馬拉雅地熱帶通過的西藏南部和雲南、四川西部；中溫（90～150℃）、低溫（<90℃）對流型地熱資源，主要分布在福建、廣東、湖南、湖北、山東、遼寧等省；中低溫傳導型地熱資源，主要分布在華北、松遼、四川、鄂爾多斯等。中國400萬km2的沉積盆地的地熱資源也比較豐富，但差別十分明顯，除青藏高原外，總的來說盆地的地溫梯度是由東向西逐漸變小。目前中國已發現的水溫在25℃以上的熱水點(包括溫泉、鑽孔及礦坑熱水)約4000餘處，分布廣泛。溫泉出露最多的西藏、雲南、台灣、廣東和福建，溫泉數約占全國溫泉總數的1/2以上；其次是遼寧、山東、江西、湖南、湖北和四川等省，每省溫泉數都在50處以上。
我國是一個以中低溫地熱資源為主的國家，近10年來地熱直接利用均以每年10%速率增長，目前以直接利用設備裝機容量的產量居世界之首。地源熱泵是一種值得推廣的可再生能源利用技術。地熱並不只存在於地殼深處或溫泉等可開採的熱水，地表淺層的“恆溫層”就可大面積套用。
技術問題
在國外,一些國家的地熱空調技術起步較早,發展至今技術已經基本成熟,並開始逐步套用於各種建築中。但由於這些國家的氣候條件偏冷,主要是研究冬季供熱,而對夏季製冷工況研究得較少。而我國地處溫帶,冬季需採暖,夏季需供冷,因此必須研究出能同時實現供冷供熱的地熱空調系統,這有許多新的技術問題需要國內的研究人員去分析和解決,但其關鍵技術仍是土壤的熱特性研究和熱泵系統的合理匹配。
土壤的熱特性研究
地熱空調系統的性能好壞與當地土壤熱特性密切相關,地熱源的最佳間隔和深度取決於當地土壤的熱物性和氣候條件。土壤的熱特性研究主要包括土壤的能量平衡、熱工性能、土壤中的傳熱與傳濕以及環境對土壤熱物性的影響等。
熱泵系統合理匹配的研究
90年代以來,地熱空調技術的研究熱點依然集中在地熱能換熱器的換熱機理、強化換熱及熱泵系統與地熱能換熱器匹配等方面。與前一階段單純採用“線源”傳熱模型不同,最新的研究更多地開始關注相互藕合的傳熱、傳質模型以更好地模擬地熱能換熱器的真實換熱情況;同時開始研究採用熱物性更好的回填材料,以強化土壤埋管在土壤中的導熱過程,從而降低系統用於安裝土壤埋管的初投資;為進一步最佳化系統,國外有關地熱能換熱器與熱泵裝置的最佳匹配參數的研究也在開展。
市場現狀
早在上世紀50年代，地源熱泵就在北歐國家使用，70年代石油危機時在西方世界得到推廣。美國目前已安裝了40萬台地熱空調，1998年，美國商業建築中地源熱泵系統已占空調總保有量的19%，其中這項技術在新建築中的套用高達30%。美國能源部正在計畫未來幾年達到年裝40萬台地源熱泵的目標。
在國內，從進入90年代，我國就興起了地熱直接利用的高潮，尤其在高緯度寒冷的三北（東北、華北、西北）地區，加大了以地熱供暖為主的開發力度。這項工作的開展不僅減少了大量有害物質的排放，而且還能取得明顯的經濟效益。整個華北地區地熱供暖面積達131.38×04m2。除此之外，目前北京、天津、西安等地正在利用熱泵技術等多種形式進行示範工程並逐漸推廣。東南沿海地區在發展旅遊業的同時利用地熱進行製冷和烘乾。全國地熱溫室面積目前已超過100×04m2，其中22%在河北省。需要特別加以指出的是隨著熱泵技術的發展和採用，中低溫熱水在全國正以強勁勢頭向規模化、產業化方向健康發展。特別在北京為保護環境及2008年的"綠色奧運"，地熱作為一種"綠色"能源將得到更加廣泛的利用。
套用廣泛
對普通居民來說，地熱空調和普通家用空調，誰更划算？中央空調造價一般在300元/6平方米，地源空調接近500元/6平方米，一座300平方米的別墅，安裝中央空調不到10萬元，地熱空調14萬元多。但一旦運行後，地熱空調運行費用要比中央空調低近一半，算上初始投資，四五年後二者總費用就相當。若是選擇土質鬆軟、接近河湖（地下水豐富）的地方，地熱空調安裝、運行費用還將大大降低。設備投資上，地源熱泵聚乙烯換熱管埋下去可用50年，空調機結構簡單，運轉部件少，20年不用維修，一次投入，長期受益。
如今能源成為經濟發展的“指南針”。國際能源專家普遍認為，新能源和可再生能源是21世紀將得到快速發展的能源。我國地熱資源豐富，應該抓住這一良遇，加速地熱的開發，為我國可持續發展及環境保護作出積極貢獻。
