地源熱泵中央空調系統在建筑中的應用與安裝

摘要:地源熱泵中央空調系統是利用地下淺層地熱資源進行供熱、供冷的、無污染、可再生的新能源節能技術，本文就其背景、原理、優點、安裝等角度展開分析與研究，從低碳節能、環保、安全、便捷等方面，對于地源熱泵中央空調系統的特點進行分析，從而達到對地源熱泵中央空調系統的推廣與應用。

關鍵詞:低碳節能 地源熱泵 中央空調系統

0 引言

地源熱泵中央空調系統是利用地下淺層地熱資源進行供熱、供冷的、無污染、可再生的新能源節能技術，體現了節能、環保、靈活、舒適的新型節能中央空調概念。地源熱泵，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。由于其熱源溫度比較高，全年穩定，不隨外界環境溫度的變化而變化，所以不管是冬季供暖，還是夏季制冷，地源熱泵的能效比都要比其他熱源形式的熱泵高出許多。只要有足夠的場地埋設管道(地下冷熱交換裝置)或政府允許抽取地下水的就應該優先考慮選擇地源熱泵中央空調。

1 地源熱泵工作原理

地源熱泵(也稱地熱泵)是有效的利用土壤的良好蓄熱及蓄冷特性進行的熱力學逆循環即利用地下常溫土壤和地下水相對穩定的特性，通過深埋于建筑物周圍的管路系統或地下水，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實現低位熱能向高位熱能轉移與建筑物完成熱交換的一種工程應用技術技術。

地源熱泵空調系統主要分為三個部分:室外地能換熱系統、水源熱泵機組系統和室內采暖空調末端系統。其中水源熱泵機組主要有兩種形式:水-水型機組或水-空氣型機組。三個系統之間靠水或空氣換熱介質進行熱量的傳遞，水源熱泵與地能之間換熱介質為水，與建筑物采暖空調末端換熱介質可以是水或空氣。

地源熱泵工作原理是:在夏季供冷時，地源熱泵技術利用地下環境溫度較低的特點，地源熱泵機組內的壓縮機對冷媒做功，使其進行汽-液轉化的循環。通過冷媒/空氣熱交換器內冷媒的蒸發將室內空氣循環所攜帶的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環的同時再通過冷媒/水熱交換器內冷媒的冷凝，由循環水路將冷媒中所攜帶的熱量吸收，最終通過室外地能換熱系統轉移至地下水或土壤里。在室內熱量通過室內采暖空調末端系統、水源熱泵機組系統和室外地能換熱系統不斷轉移至地下的過程中，通過冷媒-空氣熱交換器，以冷風的形式為房供冷。地源熱泵與冷凝器直接與空氣環境進行熱交換的普通空調器制冷相比，比普通空調節能50%以上。在冬季供熱時，地源熱泵系統通過埋藏在地下的管道將儲存在地下的熱能通過傳熱介質吸收，作為逆循環中的低溫熱源，通過輸入少量的高位電能使熱泵壓縮機完成逆循環，并向用戶提供高品位的熱能。根據地熱交換系統形式的不同，地源熱泵系統分為地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統和地埋管地源熱泵系統。

2 地源熱泵優點

2.1 地源熱泵技術屬可再生能源利用技術 地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源(通常小于400米深)作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。地表淺層地熱資源可以稱之為地能(Earth Energy)，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低溫位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能量，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。

2.2 地源熱泵屬經濟有效的低碳節能技術 地能或地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高40%，因此要節能和節省運行費用40%左右。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。據美國環保署EPA估計，設計安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節約用戶30～40%的供熱制冷空調的運行費用。

2.3 地源熱泵環境效益顯著 地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少40%以上，與電供暖相比，相當于減少70%以上，如果結合其它節能措施節能減排會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規空調裝置減少25%的充灌量;屬自含式系統，即該裝置能在工廠車間內事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機率大為減少。據測算，若安裝地源熱泵40萬臺，和采用“化石能源”比，相當于降低溫室氣體排放100萬噸，和50萬輛汽車的污染排放物。同時，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。

2.4 地源熱泵空調系統維護費用低 在同等條件下，采用地源熱泵系統的建筑物能夠減少維護費用。與鍋爐(電、燃料)供熱系統相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70%～90%的燃料內能為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節省二分之一以上的能量;由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數可達3.5～4.4，其運行費用為普通中央空調的50～60%。地源熱泵的機械運動部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安裝在室內，從而避免了室外的惡劣氣候，其地下部分可保證50年，地上部分可保證30年，因此地源熱泵是免維護空調，節省了維護費用。

3 地源熱泵室外地埋管系統安裝

地源熱泵室外地埋管一般選用垂直埋管方式，也叫直埋式。直埋式地源熱泵施工時所需場地小，節省建筑空間，是一種經濟、對環境無害的綠色能源利用方式。它運行時無噪聲，可靠、持久，供熱/ 制冷效果好，舒適感好，是一種值得推廣的能源利用新技術。安裝過程如下:

3.1 鉆孔 直埋式地源熱泵需要用鉆機進行施工，要求鉆機的鉆進深度達到150～200m，鉆頭的直徑根據需要在100～150mm之間。由于鉆孔深度較淺，一般采用常規的正循環鉆進方法。在我國，可以選用普通的工程勘察鉆機、巖心鉆機，如DKⅢ-300型鉆機、DPP100型車裝鉆機等。鉆孔施工完成后孔壁必須保持完整。如果施工區地層土質比較好，可以采用裸孔鉆進;如果是砂層，孔壁容易坍塌，則必須下套管。裸孔鉆進時，要求泥漿的密度在1125g/cm3左右，以保證形成比較穩定的孔壁并逐漸降低泥漿濃度(加清水);成孔時，要求最后上返泥漿的密度1108g/cm3左右，且泥漿中基本不含砂粒。

3.2 U型管的制備 按照事先設計好的接管方式，把PVC型管制備好，要求盡可能讓U型彎接頭的熔接作業在室內進行，以保證接頭熔接的可靠性。在場地內展開U型管，以使其最好地下入孔內。注入防凍液。防凍液可以增加U型管的整體重力，使下管更加容易，并作為傳熱介質。確保防凍液無泄漏后，在PVC管的U型接頭處捆綁配重。配重一般選用a8～15mm的鋼筋，長度為215m左右，根據下入PVC管的根數決定配筋的數量，一般下入3根PVC管配1根筋，下入5根PVC管配2根筋。

3.3 下U 型管 U型管的下放是工程的關鍵，因為下入U型管的深度決定著采取熱量總量的多少，所以必須保證下入U型管的深度。按照熱交換原理，計算下入U型管的深度，是以下管的長度計算，而不是按垂直距離計算。下U型管的方法十分簡單。一般采用人力下管，一方面人的感覺可以判斷U型管的完好與否;另一方面，人力也足以使其完全地下入孔內。在施工過程中，由于孔內情況復雜，下入U型管時可能會遇到很大的阻力(主要來自孔壁對U型管的摩擦阻力)，可以采用如下方法進行下管:在PVC管上套上粗麻繩，輔以扶正機構，通過加力杠桿作用于粗麻繩上，以便下管。實踐證明，這種方法很有效，一般可以增加下管深度10～20m。

3.4 灌注 注漿是為了填充U型管與鉆孔孔壁間的間隙，使其具有更好的傳熱性能。填充材料的選擇決定了傳熱率的大小，選擇一種熱阻抗比較小的材料，是提高整個系統效率的有效途徑。美國、加拿大、日本等國的觀點認為，最好是把鉆孔所取出的巖土體進行回填，但是這在工程上實現起來比較困難，所以一般選用特殊物質制成的專門的灌注材料。注漿時，必須保證注漿的連續性，否則會降低傳熱效果，影響工程質量。

4 結束語

在我國，從90年代起，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。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范工程并逐漸推廣。東南沿海地區在發展旅游業的同時利用地熱進行制冷和烘干。需要特別加以指出的是隨著熱泵技術的發展和采用，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。

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做出積極貢獻。

參考文獻:

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[2]張勇.熱泵空調技術及應用.通用技術.2010，1.