【正文】 圖 35+1 我國 各類 地源熱泵使用比例 圖 35+2 建設(shè)部示范項目 各類 地源熱泵使用比例 目前地源熱泵發(fā)展較快，南方如廣東、福建、海南等省市發(fā)展較慢，而長江中下游則又很關(guān)注地源熱泵，這些地區(qū)屬冬冷夏熱地區(qū)，制冷供暖都比較有需求 ，而且制冷、供熱 42 月份幾乎相等地源介質(zhì)的冷熱平衡較理想，基本能達(dá)到冬存夏用和夏存冬用的目的。計算非常復(fù)雜。這里問題涉及面很廣，比較專業(yè)，是 我們 科研選題的大領(lǐng)域 。設(shè)計者要根據(jù)傳熱分析來選擇土壤換熱器的布置形式和確定埋管長度。從目前實際使用情況看土壤和巖石的熱導(dǎo)率小，一般每米管長放熱量僅 20~40W，因 35 此，當(dāng) 負(fù)荷 較大時，其換熱器 占地 面積較大， 換 熱器的 造價也 較高，使 得 工程造 價 偏高。 7）污水源熱泵系統(tǒng) 污水源熱泵 系統(tǒng) 是地源熱泵系統(tǒng)的一種類型，而且被 列 入地表水源熱泵系統(tǒng)之內(nèi)，眾所周知 污水 水溫的變化比較室外空氣 溫度變化小， 33 具相對穩(wěn)定性。其設(shè)計流程如下 圖 21 水綜合利用流程圖 大江大河 是很重要的資源，有 作 大 工程的優(yōu)越條件。 30 圖 19 盤管長度曲線 圖 19 中，給出的曲線是管內(nèi)紊流動態(tài)得出的（ Re3000）。整個循環(huán)系統(tǒng)不與大氣 相通，利用專門 設(shè)計的換熱盤管。利用可再生能源熱泵供 熱采暖者，按機組而 定制熱量每千瓦補貼 900 元。 地表水源熱泵系統(tǒng) （ 1）概述 以地表水作為低溫?zé)嵩矗涓拍顢U(kuò)展得很廣，除平常所說的江河湖海之外，還包括水利工程中的水庫、渠道，以及城市自來水 ， 工業(yè)污水，城市污水等等。 回 灌 得當(dāng)可不影響區(qū)域性的地下水位。南方地區(qū)可按上限采取。 22 （ 2）水質(zhì) 水質(zhì)，熱泵機組對水質(zhì)有一定要求，基本要求是：澄清、不腐蝕、不滋生微生物，不結(jié)垢等。 （ 1）需 水量的計算 20 21 水量的需求是根據(jù)建筑物的冷熱負(fù)荷和機組性能及組合形式等有關(guān)。其經(jīng)濟(jì)效益也是明顯的，美國 曾 對 127 個地下水源熱泵系統(tǒng)做了實例統(tǒng)計，比傳統(tǒng)系統(tǒng)的運行費用可 省 18— 54%。又可根據(jù)熱泵機組中換熱器所接觸的 載熱介質(zhì) 再 進(jìn)行分類；即水 — 空氣熱泵；水 — 水熱泵。 從上面的例子可 大致的說明，通過熱泵，室內(nèi)獲得 10KW 的熱量，大約有 90%是從低溫?zé)嵩粗械玫降摹?T 為絕對溫度，角碼表示高 （Ｈ） 、低 （ L）。這里只介紹熱泵性能系數(shù)。 冷凝成 液態(tài) 的工質(zhì)離開冷凝器后進(jìn)入節(jié)流閥，其壓力 P3與 P2相等。系統(tǒng)的功能也就改變，可根據(jù)季節(jié)和使用需求，完成制冷和 制熱功能轉(zhuǎn)變。它同時還可以根據(jù)負(fù)荷的變化，調(diào)節(jié) 工質(zhì) 進(jìn)入蒸發(fā)器的流量。 （ 1） 熱泵機組的構(gòu)成 以壓縮式熱泵為例，一般 由四個主要部件構(gòu)成，見下面 圖 5 圖 5 壓縮式熱泵工作原理圖 如圖 5 上所示， 有 四個主要部件指： 壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器。 與淺層地?zé)崮苓M(jìn)行熱交換要 通過“水”這個 傳媒介質(zhì)，最典型例子就是抽地下水到機組里來，進(jìn)行 熱交換 ，或者是將地表水抽入機組 進(jìn)行熱交換。而熱泵是通過動力驅(qū)動可把低溫?zé)醾鬟f到高溫?zé)嶂腥?。因此，我認(rèn)為巖土工程，工程地質(zhì)，水文地質(zhì)工作者應(yīng)該在淺層地?zé)岬拈_發(fā)利用中延伸我們的業(yè)務(wù)范圍，是大有 作為的。 圖 2 淺層地?zé)崮苜Y源 分布 7 他估計的太陽能與地?zé)崃鞴餐饔玫纳疃扔上率?算 出： 2110??? ? —— 為土壤深度全年不變的深度 （ m） ? — — 土壤的熱導(dǎo)率，單位為： W/ 當(dāng) ? 取 W/mk 時， ? =14m，他的觀點 認(rèn) 為 14m 之下，即土壤深度全年 溫度 不變的深度之下，仍是地?zé)釤崃魈?供 熱能。是地?zé)崽锫额^。建設(shè)一個“天人合一”的和諧世界。 4 （ 5）煙塵、 廢渣 及噪音等污染 城市中的機動車輛及工廠煙囪排出是主要來源，其次沙塵暴的吹揚 物也是一種污染，城市熱島效應(yīng) ，由于空調(diào)、機動車把熱氣直接排入大氣 而 形成 污染 。 （ 3）溫室效應(yīng) 人類大量使用石油、 煤 炭和天然氣等礦物燃料，釋放到大氣中的CO2 氣體越來越多，之外還有水汽、甲烷、氧 化亞氡、氟氯烴等， 它們可以吸收地球表面 向外 的 輻射熱，并將其反射到地球表面，使地球氣候增溫，出現(xiàn)像塑料大棚一樣的溫室效應(yīng)，造成全球氣候變暖。 （ 2） 臭氧 層破壞 臭氧層是地球生物圈阻止紫外線輔射的保擴(kuò)圈 (層 ),1985 年，美國科學(xué)家首先發(fā)現(xiàn) 南極 上空 臭氧 層出現(xiàn)了空洞。2 地源熱泵技術(shù)及其應(yīng)用 —— 巖土工程的一個新的延伸 —— 巖土工程在節(jié)能減排中應(yīng)有所作為 中工武漢 大學(xué) 設(shè)計研究有限公司 邸作述 1 緒論 人與自然的歷史回顧 18 世紀(jì)工業(yè)革命以來，人類認(rèn)識和改造自 然的能力愈來愈強。后來美國“雨 云 — 7 號”氣象衛(wèi)星，觀測到這個洞大如 美國領(lǐng)土面積，高如珠穆朗瑪峰。科學(xué)家估計，按目前的 CO2 等排放增長率，到 2030 或 2050 年，全球溫度可上升 ℃ ~℃ 。 綜合以上，目前人類面臨著能源危機和環(huán)境惡化 兩 大課題， 總的問題 是人類如何保持可持續(xù)發(fā)展。 依靠科技 尋找出路 解決 能源危機的根本途徑是開發(fā)新能源和可再生能源 目前人類已利用和可能被利用的能源種類和儲量見下表 : 表 1 世界能源種類及儲量表 可 再 生 能 源 能源種類 儲量（標(biāo)準(zhǔn)） 太陽能 870000 億噸 /年 水能 24 億噸 /年 風(fēng)、波浪能 80 億噸 /年 地?zé)崮? 億噸 /年 潮汐能 億噸 /年 非 再 生 能 源 煤 64000 億噸 石油 4100 億噸 天然氣 106 億 m3 油頁巖 31000 億噸 235U（鈾） 300 億噸 釷 109 億噸 氘 1012 億噸 摘自清華大學(xué) 2020 年物理學(xué)教材 表 1 內(nèi)，非再生能源中，油 頁巖 儲量比較大 ，顯然有一定的潛力 ， 5 但 開采 ，提取難度大，成本高，氘， 在 海水中大量存在，儲量非?？捎^，但使用的原理是要 使之產(chǎn)生核聚變 ，在常溫下聚變 尚只 在實驗室研究階段，應(yīng)用前景未卜。 但隨著科技水平的發(fā)展和科技思路的創(chuàng) 新，科技界已普遍 認(rèn) 同地殼淺層大約 200—400M 范圍內(nèi)是一個“天賜的 儲 熱 庫 ”它的溫度平均在 15℃ — 20℃ 左右，它的來源主要太陽能，是一種無處不有，取之不盡，用之不竭的可再生能源，將它稱之為淺層地?zé)崮堋Ｋ褱\層熱能的下限定為 200 米。與熱 工 專業(yè) ， 暖通專業(yè)相互合作，相互滲透開辟一個新的產(chǎn)業(yè)。 美國ASHRAE 學(xué)會認(rèn)為地源熱泵技術(shù)作為真正興起、并得到廣泛應(yīng)用的時期應(yīng)該開始于 20 世紀(jì) 80 年代中期，到目前 為止，可以說地源熱泵技術(shù)已是一個非 常 成熟的技術(shù)，它有堅實的熱力學(xué)、熱工學(xué)的理論支撐，已有精確高效的機器裝備，在實施 中已有一整套從設(shè)計到安裝、調(diào)試、運行管理的控制程序和相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范。 如果沒有地下水， 則 在巖石和土壤中進(jìn)行熱交換， 這時 需要在 地下設(shè)置地 埋管，地埋管具體結(jié)構(gòu)見下圖 4。他們由管道聯(lián)成一個完整的機組。經(jīng)過蒸發(fā)器 的低溫液態(tài)工質(zhì)在其中 吸熱蒸發(fā)后 形成氣態(tài) ，氣態(tài)工質(zhì)又被壓縮機 吸入 ， 進(jìn)行下一次循環(huán)。 按照（采暖通風(fēng)空氣調(diào)節(jié)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)）（ GB5015592） ，熱泵被定義為：能實現(xiàn)蒸發(fā)器與冷凝器功能轉(zhuǎn)換的制冷機。經(jīng) 節(jié)流 膨脹后，壓力由 P3降到 P4（ TS 圖上到狀態(tài) 4），這種變成 液態(tài) 的工質(zhì)，在 P4之下進(jìn)入蒸發(fā)器， 在 蒸發(fā)器中 吸收 TL中的熱而形成 過 熱蒸汽， TS 圖中，由狀態(tài) 4 回 到狀態(tài) 被壓縮， 完成一次循環(huán)。 熱泵制熱時性能系統(tǒng)為 Coph，熱泵制冷時性能系數(shù)為 copc。 . 2 狀態(tài)～ 3 狀態(tài)是向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃繛?Q2， Q2，圖上等 SS1 、 3 所圍的 面積，即 Q2=TH(S1S4) 系統(tǒng)所作的功 W=Q2Q1圖上為 Q2的面積減去 Q1的面積，即 W=(THTL)(S1S4) 根據(jù) 制熱系數(shù) WQCoph 2? 15 即 ? ?? ?? ?4141 SSTT SSTCophLHH ?? ?? 簡化后LHH TT TCoph ?? 根據(jù) Copc 的定義WQCopc 1? 即 ? ?? ?? ?4141 SSTT SSTCopCLHL ?? ?? 簡化后 LHL TT TC o p c ?? 這兩個式子，是我們常用來計算熱泵熱性 能 系數(shù)的公式。機械能耗熱量僅 占 10%不到。破折號前的字為低溫?zé)嵩唇粨Q介質(zhì)的屬性；破折號后面的字為室內(nèi) 側(cè) 熱交換介質(zhì)的屬性。 國內(nèi)一般 比 傳統(tǒng)中央空調(diào) 空氣源 的 cop 提高 40%。還要考慮地下水的本底溫度等，一般情況下，還 可用下面公式估計其需求量。參照國內(nèi)有關(guān)冷卻水用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)的工作特點 對地下水水 質(zhì) 的要求，可參照下 表 5 地下水水質(zhì)參考標(biāo)準(zhǔn) 表 5 序號 項目名稱 允許值 1 含沙量 1/202000 2 混濁度 /（ mg/L） ≤ 10 3 pH 值 ~ 4 Ca2+、 Mg2+總礦度 /（ mg/L） 200 5 Fe2+/（ mg/L） 6 Cl/（ mg/L） ≤ 1000 7 ?24so /（ mg/L） ≤ 1500 8 硅酸 /（ mg/L） ≤ 175 9 游離氯 /