资源环境可持续发展的热泵应用问题讨论

0 前言

　　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。
1 热泵热源

　　热泵的热源主要有空气源、水源和土壤源等形式。其中空气源热泵已在空调领域得到了较广泛的应用，但由于其性能受室外气象条件的影响较大，制冷量和制热量难以和建筑物的冷热负荷相适应，以及冬季室外换热器等结霜问题，使其应用的领域和范围受到很大程度上的限制。
　　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。就世界范围而言，虽然早在1912年，瑞士H.Zoelly就提出了利用土壤源作为热泵系统低温热源的概念，但只是到20世纪80年代才开始了地源热泵的应用和推广研究。到目前为止地源热泵并未如空气源热泵一样得到广泛的推广和应用，其原因除相对过高的安装费用外，更重要的是缺乏可靠的地源热泵设计方法和实际的运行经验。
　　我国只是在最近几年才开始进行以土壤为热源的地源热泵的研究，到目前为止，尚未有成熟的地源热泵模拟方法，更缺少运行的实际经验总结。因此，在热泵热源领域，本文将重点介绍和分析国外应用地源热泵的有关问题，以期能对我国的地源热泵的理论和应用研究有所借鉴。
1.1 地源热泵系统形式
　　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。
　　美国、加拿大等国自90年代中期以来，相继对已建成的地源热泵系统的运行情况进行了调查和总结。据相关文献分析，地源热泵中大部分采用的是垂直埋管系统，建筑面积范围从1394m2到33444m2不等，热泵装机容量从25ton（88kW）到1400ton（4924kW），大部分热泵机组的单台容量为12kW左右，与末端空调系统的耦合既有水－水方式，也有水－空气方式，而且大部分系统均设有空气热回收装置。在垂直埋管系统中，井深从15m到183m，大部分的井深在46m到90m，筒径一般为80-125mm。埋管材料为高密度聚乙烯塑料管（HDPE），单位平均埋管长度换热量为35w/m左右。
1.2 地源热泵的运行技术经济分析
　　1.2.1 资成本分析
　　对于埋管地源热泵空调系统而言，其投资成本主要包括：钻井、埋管、地源热泵机组和末端空调系统。椐Cane等（1996）的调查，在整个系统总投资中，地源部分（包括钻井、回填、埋管）的材料、安装与施工等费用约占20%～60%，平均占30%。
　　1.2.2 运行能耗分析
　　据美国和加拿大的12个地源热泵系统的调查表明，地源热泵的年能耗指标为134.6ekWh/m2.yr－256.2 ekWh/m2.yr，平均能耗指标为170.6 ekWh/m2.yr，远低于常规空调系统冷热源平均年能耗指标269 ekWh/m2.yr。一个经过精心设计、安装和运行维护管理的地源热泵系统，在满足同样舒适性标准的前提下，其年运行能耗可仅为常规空调系统的50%。
　　1.2.3 维护和维修费用
　　地源热泵系统运行能耗低，与常规空调系统冷热源相比，维护维修费用也较低。Martin等（2000）对地源热泵系统和常规空调系统冷热源的维护维修成本进行了详细地调查分析，结果地源热泵平均维护维修费用指标为＄1/yr.cool.m2，空冷冷水机组+燃气热水锅炉为＄1.12/yr.cool.m2，水冷冷水机组+燃气蒸汽锅炉为＄2.01/yr.cool.m2，水冷冷水机组+燃气热水锅炉为＄2.23/yr.cool.m2。
　　Cane等（2000）分析表明，开式系统（以地下水为热源）平均维护维修费用为＄1.17/yr. m2，高于闭式系统的平均费用＄0.95/yr. m2。此外，不同的建筑物形式，其地源热泵的维护维修费用也不同。在所调查的建筑物形式中，学校类建筑的维护维修费用最低，为＄0.51/yr. m2，办公类建筑最高，为＄2.26/yr. m2，住宅公寓类建筑为＄1.41/yr.m2。
1.3 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。Lenarduzzi等（2000）分析了土壤冻结膨胀对埋管形成的挤压现象。在冬季低温运行时，由于末端负荷的增加，埋管内流体介质温度降低，导致土壤温度低于其冻结温度，土壤冻结对埋管产生了挤压现象。现场测试数据的分析表明，在地下由于管道被挤压，管径由32mm变化到19mm。由于管径变小所产生的节流作用，管道内流体的流量约减少50%，从而影响了热泵的热量输出，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。为详细分析管道挤压的规律，Lenarduzzi等在实验室内进行了模拟土壤冻结实验。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。通过增加埋管的总长度或采用埋管并联联结的方法，可以有效的解决这一问题。但这一措施，要受到投资、场地和井深的限制。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。
2 热泵工质

　　热泵系统用于建筑空调系统时，一般需要较高的冷凝温度和较大的温度变化，这也是合成制冷剂应用于中高温热泵中的一个主要困难。人工合成制冷工质，其容积制冷量随温度的增加而减小，如R134a，用于替代R22时，容积制冷量下降约30%，且不能与传统的矿物油共用，专门合成的脂类油容易分解，危机压缩机安全，且具有高度的吸湿性，需对系统进行仔细地抽空和干燥处理，给实际应用带来不少麻烦。应用R134a的另一个问题是其GWP=1300，属于《京都议定书》要求减排的温室气体，因此，R134a只能是一种替代冷煤而不是能长久使用的制冷剂。采用非共沸混合工质实现劳伦兹循环，可以满足温度滑落的要求，但非共沸混合工质的特有问题－泄漏，将导致混合浓度的改变，从而引起性能的改变从对环境的长期安全来看，应尽量避免使用那些最终会排放到生物圈中的非自然工质，重新起用自然工质是一种非常安全的选择。自然工质被已故前国际制冷学会主席G. Lorentzen称为解决环境问题的最终方案。在热泵领域，曾经一度被淘汰的CO2又一次受到重视。
　　CO2跨临界循环较高的压缩机排气温度和气体冷却器中CO2的较大温度滑移却为排气热量的回收创造了有利条件。采用传统工质的热泵只能得到60℃的热水，而CO2热泵系统却可以得到90℃甚至更高温度的热水，所以其应用范围将更加宽广。对于热泵系统来说，CO2无疑是一种理想的工质。
　　本文作者对采用两级气体冷却器的CO2带膨胀机循环的地源热泵进行的分析计算表明，理论COP可达到6.4，高于常规工质的简单循环。如果考虑到中高温热泵，常规工质循环的COP随冷凝温度的升高而下降的特点，用于制热工况时，CO2跨临界循环热泵系统的优势将更加明显。
3 热泵的驱动方式

　　就目前而言，热泵的驱动方式主要有电力驱动和燃气驱动两种方式。在燃气驱动方式中，又可分为燃气直接驱动和燃气发电驱动两种方式。
　　在我国，用来发电的一次能源中，煤炭仍然占最大比例（1996年为77.7%），以煤炭作为主要能源，造成我国严重的大气污染。1995年，我国CO2排放量为30亿t，占世界排放量的13.6%，仅次于美国，居世界第二位。按我国GDP年平均增长8%和CO2排放量年均增长5%的速度，不出20年，我国CO2人均排放量便会超过世界人均水平，而总量则将超过美国，成为世界第一大排放国。
　　因此，以煤为主的能源结构决定电力并不是一种清洁能源。作为我国能源结构调整战略的一部分，我国将逐步提高天然气在能源结构中的比重。作为西部开发的重大举措，国家已决定实施宏伟的西气东输工程，如何高效利用已提到日程。
　　在建筑空调中作为冷热源的常用形式主要有燃气发动机驱动热泵 (ＧＥＨＰ)和热电冷联产（CCHP）两种方式。分析表明，GEHP供冷时的的一次能效率可达到1.3以上。由于采用燃气驱动方式，燃气发动机的排气热量可有效地加以回收，既可用于生活用热水，也可用于驱动吸收式冷水机组，其综合经济效益将会更高。
4 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。