地热热泵和制冷新技术及其在低温地热利用中的应用 - 文章

地热热泵和制冷新技术及其在低温地热利用中的应用

作者：朱龙惠郭开华樊栓狮

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摘要:地热是集“矿、水”与一身的水热型地热资源，数量多且分布范围广，有各类不同可利用的温度，具有稳定的能流参数、可全天候开采、使用方便、安全可靠、利用范围广等特点，并含多种人体健康所必须的微量元素，使其成为宝贵的能源资源、温泉旅游资源和水资源。此外，大地作为一种巨大而稳定的热储资源，其浅层地温和地下水在能源利用方面也有广泛应用前景，合理利用对建筑物节能有重大意义。

地热热泵与制冷技术适用于低温地热的利用。它可以利用40OC 以下的低温地热和低于环境温度的地温热库能量，通过热泵为住宅和商用建筑供暖和供热；也可利用65-90OC 温度段的地热水能量，在夏天进行制冷，供旅游建筑空调使用。地热热泵是高科技通向节能环保的桥梁，在改变能源结构、有效利用自然能源、环境保护等方面都有重要的意义，近年来在国内外受到重视。

本文重点介绍了地热热泵与制冷技术原理和指标参数，国内外发展现状，应用方式和经济性分析，并提出该项新技术发展的建议。

关键词：地热、热泵、制冷、节能

一、前言

当今世界，常规能源日见短缺，环境污染日趋严峻，为了避免对常规能源资源的过度索取和保护人类赖以生存的自然环境，大力开发利用可再生能源，节约使用能源已成为科技发展的潮流。地热属于洁净的可再生能源，它一般具有稳定的能流参数、可全天候开采、使用方便、安全可靠、利用范围广等特点，普遍受到人们的喜爱。特别是集“矿、水”与一身的水热型地热资源，数量多且分布范围广，有各类不同可利用的温度，并含多种人体健康所必须的微量元素，使其成为宝贵的能源资源、温泉旅游资源和水资源，有很高的利用价值。此外，大地作为一种巨大而稳定的热储资源，其浅层地温和地下水在能源利用方面也有广泛应用前景，特别对建筑物节能有重大意义。

我国有丰富的地热资源。已发现的地热露头点有3000于处，其中高温的不多（约175处）主要集中于西藏、云南和台湾，中低温地热源则分布于全国30个省、市、自治区，全年天然放热资源量为1.04×1017kJ，折合35.6亿吨标煤[1]。例如：西藏羊八井在井深2007米处达到330℃，西藏羊易也有207℃。我国中低温地热（105℃以下）多为低温水热型资源，绝大部分适宜直接利用。

低温地热主要是直接利用，如冬天供暖、供热水、农业利用（水产越冬养殖供热、温室）、温泉沐浴及医疗保健等。近年来，适用于低温地热利用的地热热泵与制冷新技术在国内外受到重视，对地热能的高效综合利用有极为重要的意义。综合利用是提高资源利用率的唯一途径，这已是人们达成的共识。特别是国际上近几年地热热泵技术发展非常迅速，通过在地热利用中的应用架起高新技术与建筑物节能之间的桥梁，取得了卓有成效的进展和节能效果。

二、低温地热利用及地热热泵技术现状

我国占地热资源总量98%以上的是低温资源。我们80年代初曾研究开发了低温地热发电技术。广东丰顺3号地热电站利用91℃地热水发电，装机容量300KW，到目前为止已安全稳定运行15年，年运行率超过80%，取得了良好显著而长期的经济社会效益，开创了我国低温地热水发电的先河。目前对我国众多的低温地热资源还主要是直接利用。虽然全国直接利用总量已达到2410MW，居世界各国首位，但利用水平和效率比较低，对于65℃以上和40℃以下温度段的能量利用率更差。在对巨大的地温热储（如浅层地温和地下水）能量的利用方面更加缺乏创新思路，与国外有非常大的差距。因此，非常有必要大力开展研究开发地热热泵新技术的工作。

利用电驱动的地热热泵，可以把7-12℃的地下水温提升到45-50℃，也可进一步把30-40℃的低温地热水温度提升到50-70℃，以供取暖使用或直接供应热水作相应的用途。利用吸收式热泵（制冷）技术，可以利用65-90℃的地热水制取7-9℃的冷媒水，供夏季空调使用。合理采用相应的热泵技术，可实现不同温度水平的地热资源的高效综合利用，大大降低住宅和商用建筑供热和供冷的能耗。

欧美等发达国家较早意识到要调整社会能源结构和环境保护问题，因此地热热泵在这些国家应用较多。在未意识到化石能源日益枯竭和环境污染给人类带来危害以前，廉价的电费和过高的成本因素限制了地热热泵的发展。然而现在时代的需求给地热热泵带来了发展的机遇。许多国家采取一系列措施来刺激地热热泵的发展，其中包括：成立一系列行业组织、制定行业标准、完善与改进机组性能、降低成本、政府在财政上给予优惠、提供市场动态、加大宣传力度、开展有关知识讲座、完善服务等。据统计，美国和加拿大的地热热泵制造厂已超过20家[2]。到1998年度底为止，整个欧洲使用地热热泵已近12万台，总装机容量近1300MW，每年可提供1950GWh的热量，相当于232.9×106 Nm3的天然气供热量[3]。

其他国家如：德国、荷兰、挪威等国家地热热泵在市场都有一定的占有率。综观世界，地热热泵在发达国家，特别是地处寒冷的国家都得到长足的发展，而且发展势头越来越强。

三、地热热泵与制冷技术原理和性能

3.1 地热热泵工作原理

图1：地热热泵技术原理示意

热泵的工作原理是利用工作流体（工作介质）在不同压力、温度下的蒸发和冷凝进行吸-放热的过程，通过压缩机驱动（电功），将热量从低温环境送到高温环境，达到制冷或制热的目的。如图1，工作介质按尖头所示在回路中循环。A和B分别为蒸发器和冷凝器，C为压缩机（驱动源），V为减压膨胀阀， GA和GB分别是低温介质（低温地热水或地下水）和高温介质（生活或采暖热水）流量。工作介质在A中压力为pA、在B中压力为pB，并有pA< pB，其对应的温度tA< tB。工作过程如下：

工质节流后的汽液混合物进入换热器A，在pA的压力下，吸收低温流体GA的热量QA，并蒸发成气态；
工质蒸汽在驱动源C（压缩机）作用下（驱动能量W）流向冷凝器B；
在B中，工质受介质GB的冷却作用，在pB压力下发生冷凝，放出冷凝热QB；
工质冷凝液体流出换热器B后，经过节流减压装置V，使其压力从pB降为pA，再进入冷凝器A。
如此周而复始，热量源源不断地从A传输到B。对流体GA来说，在A中放出热量，温度降低，产生制冷作用；而对流体GB ，在B中吸收工质放出的热量，温度升高，产生制热作用。

对于热泵，根据热量守恒定律可得到如下关系式：

QB=QA+W （1）

热泵的效率（性能系数）COP定义为：

COP= QB/W （2）

3.2 地热驱动吸收式制冷

图2：地热水驱动吸收式制冷技术原理示意

如图2示，回路1-2-3-4-5-7-1是制冷剂的循环回路，而回路2-3-6-4-2是吸收剂的循环回路。循环制冷过程如下：

在换热器1（蒸发器）中，制冷剂（水）在压力p1（通常是负压）下从冷媒水中吸收热量Q1并蒸发成蒸汽；
蒸汽在负压作用下到达容器2（吸收器），容器4中来的吸收剂浓溶液在2中吸收来自1的制冷剂蒸汽，变成吸收剂的稀溶液，同时吸收过程产生的热量Q 2由冷却水带走；
溶液泵3把吸收剂稀溶液输往容器4（发生器），在地热源提供的热量Q 3作用下，使稀溶液中的制冷剂（水）解吸成为蒸汽，并使制冷剂与吸收剂发生分离，分离出来的制冷剂水蒸汽将流向下一个换热器5（冷凝器），而余下的吸收剂溶液将回到容器2中，完成2-3-6-4-2的循环；
在容器4中分离出来的制冷剂蒸汽在冷凝器5中，被冷却水冷却，并凝结放出汽化潜热Q5，由此完成制冷剂循环。
吸收式制冷剂循环的效果是将蒸发器1中冷媒水的热量Q1传输到冷凝器5并释放给冷却水；而驱动热源（地热提供的热水）在发生器中加入的热量 Q4，使制冷剂与吸收剂分离，同时吸收剂在吸收器2吸收水蒸气并释放热量 Q2，由冷却水带走。整个循环的净效益是利用地热热量Q4
将冷媒水（温度7-12℃）传输到冷却水中，并对冷媒水产生制冷作用，然后送去空调使用；而冷却水得到热量而温度升高，可用于供热。

对于吸收式制冷剂循环，热平衡有如下关系：

Q1+Q4=Q2+Q5 （3）

热驱动制冷效率（性能系数）COP定义为：

COP=Q1/Q5 （4）

四、地热热泵与制冷应用及效益分析

4.1 地热热泵供热采暖

地热热泵特别适用于冬天供暖或供应热水。它可分为普通型和高温型两种：前者可把7-12℃的地下水加热到45-50℃；后者适用于将30-40℃的低温地热水温度提升到65-70℃；两者的制热系数COP均可达到3-4，也就是说，花费一份代价，可以得到3-4倍的热量。与使用常规能源加热获得热水的方式相比，无疑大大节省了能源，进而也减少了因使用化石燃料生产电力的过程中排放物对环境造成的污染。中国科学院广州能源研究所具备普通型和热泵的研究开发经验。高温型地热热泵适用于北方城市住宅供暖（保持原有室内散热器），替代污染严重的燃煤采暖锅炉。

从运行费用的角度来看，以北京市的物价水平-天然气价1.4元/Nm3、电0.38元/kWh来比较。如果利用天然气来采暖，天然气热值为33500kJ/Nm3，利用热效率90%计，则燃烧1 Nm3可以获得热量为：

Q=33500×0.9=30150kJ/Nm3

如果使用地热热泵，取COP = 3.5，则获得同样的热量需要耗电量为：

W=Q/COP=30150/35=8614.3(kJ)=2.4(kWh)

费用比较可知：

热泵供暖电费 = 0.38(元/Kwh)×W=0.38×2.4 =0.91(元)

而1Nm3的天然气费用 = 1.4(元)

因此，用地热热泵供暖（热）可减少运行费用：

y=(1.4-0.91)/1.4=35.0%

以上，就是把地热热泵称为节能环保型产品的原因所在。

4.2 地热水驱动吸收式制冷机供冷空调

中国科学院广州能源研究所的两级溴化锂吸收式制冷机组可以利用65-90℃的地热水作驱动热源，制取7-9℃的冷媒水供空调使用。该机适用于利用75-90℃地热水来制冷，为大型建筑物空调。空调后的地热水还有约65℃，可用于下一级地热利用（如干燥衣物、沐浴、游泳池水加热等），实现地热能量合理而有效的利用。在夏天，该机组利用地热制冷的性能系数COP可达到0.4，也就是说，利用2.64-2.5kW的地热热量即可得到1kW的冷量。如果用电驱动冷冻机，则1kW的冷量需要花费0.29kW的电力。因此我们利用了对大气没有污染的可再生的地热水资源，并大大节约了电力和相应的成本费用。特别值得注意的是，在夏天，这部分热量往往无法利用或被白白排放到大气中。所以合理利用这一部分地热来制冷空调，其对建筑节能和保护环境的效益是不言而喻的。这也是地热能驱动吸收式制冷机作为节能环保型产品的意义之所在。

五、结语

地热热泵是高科技通向节能环保的桥梁。它可以利用40OC 以下的低温地热和低于环境温度的地温热库能量，达到节能和环保的效果。利用地热热泵供暖和供热，其运行费用可比用天然气或直接用电节省30-70 %。利用热驱动吸收式制冷机使用65-90OC 温度段的地热水能量，在夏天进行制冷，供建筑物空调使用，可减少空调的用电量和费用。这方面的地热能利用在改变能源结构、有效利用自然能源、环境保护等方面都有重要的意义。因此，我国应大力支持这项技术的开发和应用。建议在“十五”期间立项重点支持，进行工程示范并推广。

参考文献
《能源基础数据汇编》，国家计委能源所，p. 7, 1999.1.
Hanneke van de Ven, “Ground-source heat pump systems —An international overview”, Newsletter of IEA Heat Pump Center, Vol. 17, No. 1, p. 10-12, 1999.
Burkhard Sanner, “Prospects for ground-source heat pumps in Europe”, Newsletter of IEA Heat Pump Center, Vol. 17, No. 1, pp. 19-22, 1999.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/10/2005)


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