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COP(性能系数)可达6~12,潜力无穷的地源热泵

利用地温能获得绿色能源

构成撰文/JQR编辑部 摄影/高井朝埜 协助/山梨大学

确保不排放二氧化碳的绿色能源,是现今人类的首要课题。虽然太阳能与风能等天然能源的利用日益增多,但这些天然能源的缺点在于供给难以稳定。因此,山梨大学机械工程学科的武田哲明教授关注的是可稳定利用的地温能。

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(上图)针对地温能相关数据进行说明的武田教授。(下图)设置在研究室附近的地源热泵设备,实际应用于研究室的空调设备。

能源,在我们生活中不可或缺。通过能源机器才得以运转,在日常生活中,我们受益于能源带给我们的莫大恩惠。但获得此恩典的代价,却是地球暖化日益严重,地球环境面临着重大变局。
  在这种情况下,尝试利用“地温能”的研究正在进行中。该能源有别于太阳能或风能,具有可稳定供应的特性。“地源热泵”可从我们脚下的土壤中,通过1的电能吸取到10的能量,是一个既可供热又可制冷的高效能技术。

解说1
“地温能”与“地热”是非常容易混淆的两个不同概念。“地热”是蕴藏于地球内部的热能的总称,而“地温能”则是指从地表以下约100米处为止的浅层地表的低温(约15~20℃左右)且常年温度变化较少的热源。

蕴藏于脚下土壤中常年稳定的热能

  相信几乎没有人知道脚底深处的地表浅层的温度。例如,山梨大学甲府校区内的地表浅层温度,常年都维持在18.3℃左右。地温热,从地表以下10米深为止,温度会受到太阳能影响,但比10米更深的地方,无论昼夜,季节,几乎都保持一定的温度。而同样甲府市内的气温则是-4℃~35℃,全年温差变动达到40℃。武田哲明教授表示:“利用此温差的高效能系统,就是“地源热泵”。”武田教授正在研发利用地温能的地源热泵技术,来取代空调利用的传统空气热能。
  其实,地源热泵技术有间接(传统方式)与直接膨胀的两种方式,而传统的地源热泵是已被采用的技术。例如东京晴空塔和甲府市政府办公楼等地,此技术的应用场所,以大型公共设施居多。
  根据日本环境省的调查结果,此技术在海外以欧美国家为中心,已得到普遍应用,尤其在美国,已有共计一百万台12kWt家庭用机型(12GWt)正在运转。而全日本加起来一年也仅有62MWt,与欧美相距甚远。

甲府市平均气温

地源热泵的两种方式

空调设备 间接式 直接膨胀式
商品目录的COP值为4-5
平均值约为3
COP4〜6 COP6〜12
解说2
COP(Coefficient Of Performance,性能系数)是指为用来表示空调等设备的能源消耗效率的系数。COP=(制热制冷)能力(kW) /耗电量(kW)。表示每耗电1kW时的冷却与加热的能力。

空调必须与室外空气进行热交换

  地源热泵系统的基本构造,可以说与随处可见的家庭空调相同。空调系统在供应暖气时,首先由室外机将外部热空气引入,利用其热量,使制冷剂蒸发成为气体。压缩机再将这个气体(制冷剂)压缩送入室内的热交换器,气体在热交换器中凝结为液体,利用此时散发出的热量达到供热。而在供应冷气时,则切换线路,使制冷剂反向流通。
  换而言之,空调系统的运作方式是,在供应冷气时,将热能舍弃于外部空气;在供应暖气时,反将外部空气的热能引入室内。因此,在外部空气为零度以下的北海道冬季,因为无法从外部引入热能,所以空调无法运作。
  武田教授表示:“热能和水一样,只会从高处流向低处。冷气系统无法在气温35℃处,释放出35℃以下的热能。”如此一来,为在35℃外部空气中排放热能,空调系统必须将制冷剂设定为35℃以上的温度。通过压缩机来压缩制冷剂,使温度上升。我们在开着冷气时,室外机却吹出热风,就是这个原理。这也是大城市产生“热岛”现象的原因之一。
  地源热泵系统虽然采取和空调相同的工作原理,但因为热量的导入和释放,都在地表浅层进行,所以当然不会释放出热风来。

空调系统热交换原理

地温能的特性与地源热泵的效果
  • 地温能的温度,常年几乎维持在稳定的状态
  • 国内各地都可以使用,不受天候地点影响
  • 通过节能系统,可减少能源消耗和二氧化碳排放量
  • 制冷时所产生的余热不排放于大气,可有效防止热岛效应
  • 通过高性能系统,降低运行成本

地源热泵的工作原理

  如上所述,地源热泵分为两种技术,其中间接式系通过热交换器,将制冷剂的热能交换给防冻剂,再通过埋设的管线,让防冻剂在土壤中循环,来进行热交换。这是一项传统技术,因为通过热交换器为媒介,而被称为间接方式。其缺点是热交换器的效率有限。
  而另外一个方式是武田教授正在研发的直接膨胀式方式。武田教授表示:“这是使用称为A-401A的氟利昂替代品,使其直接在地表浅层中循环。这项技术不需要通过热交换器,就可使制冷剂与地表浅层直接进行热交换,是一个非常简便且高效的方法。”
  地温能是一种永不枯竭,且不会排放二氧化碳的绿色能源。它所排放出的热能因为释放于地表中,因此也不会造成城市暖化现象。在北海道,冬季无法使用空调,但如果使用地源热泵,即使气温在零度以下,土壤内却是温暖的,因此可将土壤(地温能)中的热量取出,供给室内取暖。这虽是一项优点诸多的能源利用技术,但如果要使之普及,就必须具备很高的成本效益。

直接膨胀式地源热泵简介

其特征是不需要考虑设备与二次媒介之间的温差,可降低凝结压缩强度,并提高蒸发压。不需要泵,热交换器及膨胀水箱等器具,整体设备的部件数量将大幅减少。除此之外,也无需这些部件工作所消耗的电力,和间接方式相比,可实现更高效能的运转。加上免去了盐水管道工程,使设备工程变得更简单,可望降低成本。

t05

导入费用与热效率的性能

  关于这一点,武田教授点头坦承说:“是的,问题就是在于成本。”根据教授的说法,地源热泵空调设备和一般空调系统相比,需要2.7倍左右的初期导入成本。虽然地源热泵的运作原理本身不复杂,但是为了埋设管线需要花费挖掘相关的费用。
  但是一旦引进地源热泵空调设备,就可降低冷暖气的运行成本。这只是一个估算,但与一般空调相比,地源热泵设备的传统间接方式仅需七~八成,而直接膨胀式则仅需三成的成本。
  武田教授表示:“其实三十几年前,就曾经尝试使用过直接膨胀方式。当时,因制冷剂与机器的性能不足,没有成功。从地表以下约50米处,制冷剂就开始不循环了。因此,直接膨胀式的可行性受到很大的质疑,之后即使提议也无法被采纳。”
  使持续研发直接膨胀式技术的武田教授,得以克服这个情况的是2年前进行的实验的结果。当时室外气温是38℃,但因为该方式将热能释放于地表浅层中,因此制冷效能与消耗电力均与凉爽天气时相同。在COP(性能系数)稳定的状态下,证明了即使采用直接膨胀方式,地源热泵系统也不会受到外气的影响。
  武田教授充满自信地说道:“我们几乎克服了技术上的问题。”今后,教授将继续调查释放于地表浅层中的热能所带来的影响等,以搜集系统实用化的必要数据。同时,也致力于建立产品认证与维修方式等计划。
  在我们每个人的脚下,都有永不枯竭的绿色能源。摄取此能源,将其应用于生活中的就是地源热泵系统。为了实现理想的技术,武田教授还在持续研究如何最大限度地提升此系统的效率。

导入成本与运行成本的比较
空气热泵(空调系统) 传统型地源热泵(注) 直接膨胀式地源热泵
导入成本比例 100(标准) 270 200
导入成本约为空调系统的2倍
运行成本比例 100(标准) 75 30〜40
运行成本约为空调系统的三分之一

(注)资料来源:《热泵与其应用》(2011.3 第81期)

株式会 HAGIWARA BORING
萩原利树
总经理

地温能是 一个高潜力的能源

以311东日本大地震为契机,我们开始思考什么是最稳定的能源,而最终想到的是地温能,于是决定正式展开对它的研究。但越是节能,设备的初期导入费用就越容易成为阻碍。我们与山梨大学合作,研究如何建立提升效率的系统。我个人认为最后能留下的节能系统,将会是具有高度稳定性的地源热泵系统。我们参与了产官学与金融界共同合作的文部科学省“地域创新战略支援项目”,正在进行开发。

山梨大学综合开发研究所 武田研究室
研究室正在展开对直接膨胀式地源热泵设备,利用温泉地热的二进制发电系统与热能发电的研究,以及相关综合系统的开发。
山梨县甲府市武田4-3-11 
电话:055-220-8415

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