淺談地源熱泵的應用

劉偉

1 概述

隨著我國建筑業的持續發展，對建筑節能的要求越來越高，而供熱系統和空調系統是建筑能耗的主要部分。因此，設法減少這部分的能耗意義非常顯著。地源熱泵供熱空調系統是一種可再生能源的高效節能環保型系統。地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源的、既可供熱又可制冷并提供生活熱水的節能環保的先進技術。通常，地源熱泵消耗1度電的能量，用戶可以得到相當于4度電左右的熱量或冷量，其運行費用比傳統產品低60%以上、壽命達25年以上，而且具有節省投資、獨立計費、無人值守、維護費用較低等特點。采用熱泵技術為建筑物供熱或制冷可大大降低燃料消耗，不僅節能，還可以減少燃燒礦物燃料而引起的二氧化碳和其他污染物的排放。地源熱泵空調系統正以其不可替代的優勢，成為近年來世界再生能源利用及建筑節能領域中增長最快的產業之一。采用熱泵技術在北美、歐洲等國已得到廣泛的應用，目前在我國也得到了很好的發展。

2 地源熱泵空調系統主要技術內容

地源熱泵供暖空調技術就是通過熱泵空調機組與末端設備與大地進行冷熱交換，在冬季熱泵機組將大地的低位熱能提取出來對建筑物供暖，同時對大地蓄存冷量，以備夏季提取出向建筑物供冷用，在夏季熱泵機組將建筑物內的熱量轉移到大地中，給建筑物室內降溫，同時向大地蓄存了熱量，以備冬季提取出向建筑物供暖用。

地源熱泵系統分三種形式：土壤源熱泵系統、地下水熱泵系統和地表水熱泵系統。

土壤源熱泵系統的核心是土壤耦合地熱交換器。土壤源熱泵以大地作為熱源和冷源，熱泵的換熱器埋于地下，與大地進行冷熱交換。土壤源熱泵系統主機通常采用水—水熱泵機組或水—氣熱泵機組。根據地下熱交換器的布置形式，主要分為垂直埋管和水平埋管。地下水熱泵系統分為開式、閉式兩種：開式是將地下水直接供到熱泵機組，再將井水回灌到地下;閉式是將地下不連接到板式換熱器，需要二次換熱。地表水熱泵系統與土壤源熱泵相似，用潛在水下并聯的塑料管組成的地下水熱交換器替代土壤交換器。雖然采用地下水、地表水的熱泵系統的換熱性能好，能耗低，性能系數高于土壤源熱泵，但由于地下水、地表水并非到處可得，且水質也不一定能滿足要求，所以其使用范圍受到一定限制。目前應用最廣，最有發展前景的還是土壤熱泵系統。

3 地質勘探、地源熱泵系統的設計與施工

在選擇地熱換熱系統和進行地源熱泵系統設計之前，要對建筑工程項目場地規劃面積和形狀、工程場地內已有建筑物和規劃建筑物的占地面積及其分布等項內容進行調查。1)地埋管系統的設計與施工。地埋管系統的設計包括：計算土壤熱交換器熱量、確定土壤熱交換器的布置形式、選擇塑料管和防凍液、合理設計環路集管等。地埋管系統施工主要包括：挖溝或鉆孔、土壤熱交換安裝、土壤熱交換器安裝后回填料的回填等。2)地下水系統的設計與施工。地下水系統的設計包括：冷熱源井、泵室輸水管網的設計等。冷熱源井設計之前，應對現場進行踏勘并搜集建井地區的有關資料。當搜集資料不足以說明擬建井地區情況時，應進行地質勘探。根據水文地質條件、當地法規和工程實際情況，確定是否需要回灌和選擇合理的回灌方式，一般情況都要進行回灌。3)地下水系統的設計與施工。地下水系統宜采用變流量設計。循環水泵流量根據水源供回水溫差自動調節，滿足熱交換器的變化要求。地表水水源水量及溫差應滿足冬夏兩季機組滿負荷運行時的用水量參數。4)室內系統的設計與施工。室內系統的設計與常規空調方式相同，應符合采暖通風與空氣調節設計規范的要求，施工驗收符合通風與空調工程施工及驗收規范的要求。

4 地源熱泵與其他空調方式比較的優越性

土壤源熱泵作為地源熱泵今后發展的主要方向，我們將其與其他空調方式比較，有以下優勢：

1)主機設置靈活，操作簡單。土壤源熱泵主機的設置非常靈活，可以設置在建筑物的任何位置，而不受考慮位置的限制。對于其他空調系統，如風冷熱泵機組，主機的設置必須要與外界通風良好，要么設置于屋頂，要么設置于地面;再如設置冷水機組+鍋爐方式，冷卻塔和鍋爐的位置就更受限制。因此，就主機的設置而言，地源熱泵系統的主機設置是非常靈活的。2)運行效率高，系統穩定。土壤源熱泵機組與外界的換熱是通過大地，而大地的溫度很穩定，不受外界空氣的變化而影響運行效率，因此，土壤源熱泵的運行效率是最高的。對于其他空調系統，不管是采用風冷熱泵機組還是采用冷卻塔的冷水機組，無一例外的要受外界天氣條件的限制，即空調區越需要供冷或供熱時，主機的供冷量或供熱量就越不足，即運行效率下降，這在夏熱冬冷地區的使用就受到了影響。3)控制系統。在北方地區，風冷熱泵在冬季使用時，有除霜問題，對于熱泵的除霜，需要專門的控制設施，即在除霜過程中，主機要進行逆向循環，室內空調系統的室溫控制就要受到限制，而土壤源熱泵系統就根本不存在這些問題。4)綠色環保，無污染。從土壤源熱泵的整個運行原理來看，土壤源熱泵系統實際是真正意義的綠色環保空調，不管是冬季還是夏季的運行，都無任何污染物排放，不會對建筑外大氣環境造成不良影響。而其他空調系統，將廢熱氣或水蒸氣排向室外環境，或多或少的對環境造成了污染。5)高效、節能、運行費用低。一般說來，土壤源熱泵系統的運行費比風冷熱泵的運行費節約30%～40%，這主要在運行效率上得以體現。達到相同的制冷制熱效率，土壤源熱泵主機的輸入功率較小。在全年時間使用空調的場所，這種效果尤為明顯，并且無任何室外設備維護費用。

5 結語

地源熱泵系統具有廣闊的應用前景，特別是豎直埋管土壤源熱泵更具有諸多優點，應予推廣。

［1］ 徐 偉.地源熱泵工程技術指南［M］.北京：中國建筑工業出版社，2001.

［2］ 萬仁里.談地源熱泵［A］.全國熱泵和空調技術交流會論文集［C］.2001.

［3］ 魏 云，辛立民，楊仲坡.地源熱泵技術在工程中的應用與分析［J］.山西建筑，2010，36(9)：178-179.