地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)探討

邊惠葵

（中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院，四川 成都 610000）

由于地源熱泵適用范圍廣，運(yùn)行費(fèi)用低，節(jié)能和環(huán)保效益顯著已得到廣泛的應(yīng)用，采用地源熱泵技術(shù)可以有效地提高一次能源利用率，減少溫室效應(yīng)氣體C02和其它燃燒產(chǎn)生的污染物的排放，是一種可持續(xù)發(fā)展的建筑節(jié)能新技術(shù)。

1、熱泵空調(diào)系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)

1.1．熱泵原理

在自然環(huán)境中，水從高處往低處流動(dòng)，熱量由高溫處向低溫處傳遞，而熱泵(制冷機(jī))是通過作功使熱量從溫度低的介質(zhì)流向溫度高的介質(zhì)的裝置。熱泵工作原理是：由電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，使工質(zhì)(如1t22)循環(huán)流動(dòng)反復(fù)發(fā)生物理相變過程，分別在蒸發(fā)器中汽化吸熱、在冷凝器中液化放熱，使熱量不斷得到交換傳遞，并通過閥門切換使機(jī)組實(shí)現(xiàn)制熱 (或制冷)功能。

①在制冷模式時(shí)：高溫高壓的制冷劑氣體從壓縮機(jī)出來后進(jìn)入制冷劑的冷凝器，向水中排放熱量而冷卻成高壓液體，并使水溫升高 (此高溫水的熱量通過埋設(shè)在土壤中的管道傳給了土壤)。到膨脹閥節(jié)流膨脹成低壓液體進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)成低壓蒸汽，同時(shí)吸收(蒸發(fā)吸熱)水(或空氣)的熱量。低壓制冷劑蒸汽又進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮成高壓氣體，如此循環(huán)不止。水(或空氣)溫度被蒸發(fā)器降低用來冷卻環(huán)境。

②在供熱模式時(shí)：高溫高壓的制冷劑氣體從壓縮機(jī)出來后進(jìn)入制冷劑的冷凝器，向水中排放熱量而冷卻成高壓液體。到膨脹閥節(jié)流膨脹成低壓液體進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)成低壓蒸汽，同時(shí)吸收(蒸發(fā)吸熱)水(或空氣)的熱量將水冷卻(此“冷量”通過埋設(shè)在土壤中的管道傳給了土壤)。低壓制冷劑蒸汽又進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮成高壓氣體，如此循環(huán)不止。水(或空氣)的溫度被冷凝器升高用給環(huán)境供熱。

由此可見，熱泵與制冷機(jī)的工作原理和過程是相同的。熱泵與制冷機(jī)在名稱上的差別只是反映了在應(yīng)用目的上的不同：如果以得到高溫的熱量為主要目的，則一般稱為熱泵；如果目的是從低溫?zé)嵩闯崃浚蚍Q得到冷量，則叫做制冷機(jī)(空調(diào))。建筑空調(diào)系統(tǒng)一般應(yīng)滿足冬季供熱和夏季制冷兩種要求，傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)通常需分別設(shè)置冷源 (制冷機(jī))和熱源(鍋爐)。建筑空調(diào)系統(tǒng)如果在冬季以熱泵的方式運(yùn)行，則可以省去鍋爐和鍋爐房，而且全年僅采用電力這種清潔能源，徹底解決了大氣污染問題。與直接把電能轉(zhuǎn)換為熱能的電鍋爐相比，采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)供熱的電耗僅為前者的1/3—1/4，可以大大節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

1.2．熱泵的主要優(yōu)點(diǎn)

采用熱泵為建筑物供熱可以大大降低一次能源的消耗。通常，我們通過直接燃燒礦物燃料(煤、石油、天然氣)產(chǎn)生熱量，并通過若干個(gè)傳熱環(huán)節(jié)最終為建筑供熱。在鍋爐和供熱管線沒有熱損失的理想情況下，由于傳熱溫差，一次能源利用率(即為建筑物供熱的熱量與燃料發(fā)熱量之比)不可能超過100%。如果先利用燃燒燃料產(chǎn)生的高溫?zé)崮馨l(fā)電，然后利用電能驅(qū)動(dòng)熱泵從周圍環(huán)境中(土壤、地下水、空氣)吸收低品位的熱能，適當(dāng)提高溫度再向建筑供熱，就可以充分利用燃料中的高品位能量轉(zhuǎn)化成的電能，大大降低用于供熱的一次能源消耗。地源熱泵的性能系數(shù) (即COP值)通常大于4，即地源熱泵每輸入lkW的電能，能輸出4kW的冷熱能量，扣除過程損耗因素，性能系數(shù)仍然在3.5以上，從而高效利用了土壤或地下水這種可再生的清潔能源。而直接燃煤制熱系數(shù)為0.7，直接用電供暖制熱系數(shù)為1.0。從夏季制冷上來說，其性能系數(shù)比普通家用空調(diào)效率高一倍以上，比大型中央空調(diào)高20%以上，運(yùn)行費(fèi)用每年每平方米僅為25—33元，比常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)低40%左右。地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)沒有冷卻塔，不向空中排放熱量，不消耗冷卻水，因此沒有熱島效應(yīng)，避免了冷卻塔的噪聲。地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)無鍋爐等燃燒設(shè)備，不可能產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳之類的廢氣，也不存在丙烷氣體，因而不會(huì)有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)，使用安全。由于土壤深處溫度非常恒定，主機(jī)吸熱或放熱不受外界氣候影響，運(yùn)行工況非常穩(wěn)定，不存在空氣源熱泵供熱不足，甚至不能制熱的問題。整個(gè)系統(tǒng)的維修量維護(hù)費(fèi)用也較鍋爐—制冷機(jī)系統(tǒng)大大減少，正常情況下自動(dòng)運(yùn)行，不需要有人值班。地源熱泵系統(tǒng)不消耗水資源，省去了鍋爐房、煤場、儲(chǔ)油房、冷卻塔等設(shè)施，節(jié)省了建筑空間，不產(chǎn)生任何廢水、廢氣、廢渣，不對環(huán)境產(chǎn)生任何污染，因此節(jié)省了建筑空間。由此可見具有高效節(jié)能環(huán)保安全的優(yōu)點(diǎn)。

2、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)組成及型式

2.1．系統(tǒng)組成

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要包括三個(gè)回路：用戶回路、制冷劑回路和地下熱交換器回路。地源溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用也較鍋爐一制冷機(jī)系統(tǒng)大大減少，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

①地?zé)釗Q熱器環(huán)路

由高強(qiáng)度塑料管組成的在地下循環(huán)的封閉環(huán)路，循環(huán)介質(zhì)為水(或防凍劑溶液)。冬季從周圍土壤(地層)吸收熱量，夏季向土壤(地層)釋放熱量，其循環(huán)有一臺小功率的循環(huán)泵來實(shí)現(xiàn)。地?zé)釗Q熱器的設(shè)計(jì)是否合理是決定埋管式地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。要取得合理設(shè)計(jì)地?zé)釗Q熱器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，必須測定現(xiàn)場深層巖土熱物性。制約地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的主要障礙是在地下埋管的投資較高。

②制冷劑環(huán)路

即在熱泵機(jī)組內(nèi)部的制冷循環(huán)，與空氣源熱泵相比，只是將空氣一制冷劑換熱器換成水一制冷劑換熱器，其它結(jié)構(gòu)基本相同。

③室內(nèi)環(huán)路

室內(nèi)環(huán)路在建筑物內(nèi)和熱泵機(jī)組之間傳遞熱量，傳遞熱量的主要介質(zhì)為水，熱量(冷量)通過風(fēng)機(jī)盤管釋放到房間。

2.2．主要型式

地源熱泵的地下環(huán)路中的介質(zhì)是水 (或防凍劑溶液)，根據(jù)其供熱(冷)介質(zhì)(承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷的介質(zhì))的組合方式不同，地源熱泵主機(jī)可分為：水一水系統(tǒng)、水一冷劑系統(tǒng)、水一空氣系統(tǒng)熱泵。與此相應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)型式主要有三種：

①水一水系統(tǒng)

水一水系統(tǒng)熱泵主機(jī)的制冷工況與普通冷水機(jī)組的功能相同，即它是空調(diào)系統(tǒng)的冷源，為空調(diào)系統(tǒng)的末端裝置提供冷凍水(二次冷媒)。在供熱工況(熱泵運(yùn)行方式)，能夠?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)提供45℃—55℃的熱水。在選用該型主機(jī)時(shí)，應(yīng)著重注意兩點(diǎn)：一是空調(diào)系統(tǒng)供熱工況末端裝置的選擇、設(shè)計(jì)應(yīng)與熱媒參數(shù)相匹配；二是該型主機(jī)制冷與供熱工況間的轉(zhuǎn)換一般是通過機(jī)外二次冷媒水與地?zé)釗Q熱器循環(huán)水流道切換實(shí)現(xiàn)的，因此水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足這一要求。

②水一冷劑系統(tǒng)

水一冷劑系統(tǒng)熱泵主機(jī)與冷、熱兩用的家用分體式空調(diào)的工作原理基本相同。不同的是它利用地?zé)釗Q熱器循環(huán)水作為熱泵制冷工況的冷卻水和供熱工況的低溫?zé)嵩础＜矣梅煮w空調(diào)中體積龐大、噪聲污染嚴(yán)重的室外機(jī)被兩根循環(huán)水管所取代。由該型熱泵主機(jī)組成的空調(diào)系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)基本相同。只是前者承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷的是制冷劑，而后者是冷凍(熱)水。因此，該型熱泵主機(jī)的選擇、設(shè)計(jì)、安裝與控制可參照風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)進(jìn)行。

③水一空氣系統(tǒng)

水一空氣系統(tǒng)熱泵主機(jī)與全空氣系統(tǒng)中空調(diào)機(jī)組的作用相同。不同的是前者自身具備冷、熱源，其蒸發(fā)器(或冷凝器)相當(dāng)于空調(diào)機(jī)組的表冷器(或加熱器)。因此，該型熱泵主機(jī)的熱效率高于水一水系統(tǒng)熱泵主機(jī)。在不需要二次冷(熱)媒的情況下，宜優(yōu)先考慮選用這種主機(jī)。該機(jī)組的選擇設(shè)計(jì)方法與空調(diào)機(jī)組的基本相同。應(yīng)注意的是二者的熱媒參數(shù)有所不同，在確定加熱器(冷凝器)面積時(shí)應(yīng)區(qū)別對待。

3、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較

地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)是否合理決定著地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性。地?zé)釗Q熱器所需埋管的總長度需要根據(jù)埋管的形式、地下巖土的熱物性、地下的溫度和冷熱負(fù)荷的情況作詳細(xì)的計(jì)算才能確定。設(shè)置地?zé)釗Q熱器的費(fèi)用，其中主要是鉆孔的費(fèi)用，構(gòu)成地源熱泵系統(tǒng)初投資的1/4—1/3，是初投資增加的主要因素。因此正確設(shè)計(jì)地?zé)釗Q熱器埋管的長度對于保證系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)性十分重要。

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性取決于多種因素。不同地區(qū)，不同地質(zhì)條件，不同能源結(jié)構(gòu)及價(jià)格等都將直接影響到其經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)國外的經(jīng)驗(yàn)，地源熱泵系統(tǒng)供熱時(shí)比直接電熱方式節(jié)電60%以上，比燃油或燃?xì)忮仩t的運(yùn)行費(fèi)用也大大降低。由于地源熱泵運(yùn)行費(fèi)用低，增加的初投資可在4—7年內(nèi)收回，地源熱泵系統(tǒng)在整個(gè)服務(wù)周期內(nèi)的平均費(fèi)用將低于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)。

4、在國內(nèi)外的應(yīng)用

2O世紀(jì)5O年代，歐洲和美國開始了研究地源熱泵的第一次高潮。但當(dāng)時(shí)能源價(jià)格低，這種系統(tǒng)并不經(jīng)濟(jì)，因而未得到推廣。到上世紀(jì)7O年代，石油危機(jī)和日益惡化的環(huán)境把人們的注意力集中到節(jié)能、高效益用能和環(huán)境保護(hù)上時(shí)，使地源熱泵的研究進(jìn)入了又一次高潮，最近2O年在歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到了迅速的發(fā)展，已成為一項(xiàng)成熟的應(yīng)用技術(shù)。1998年美國能源部頒布法規(guī)，要求在全國聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)的建筑中推廣應(yīng)用地源泵供熱空調(diào)系統(tǒng)。在美國，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)占整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的40%，是美國政府極力推廣的節(jié)能、環(huán)保技術(shù)。目前，美國已安裝了60萬臺地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，而且計(jì)劃每年安裝4O萬臺，能降低溫室氣體排放一百萬噸，相當(dāng)于減少5O萬輛汽車的污染排放或植樹一百萬英畝，年節(jié)約能源費(fèi)用4．2億美元。瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要利用地源熱泵供暖及提供生活熱水。據(jù)1999年的統(tǒng)計(jì)，在家用供熱裝置中，地源熱泵所占比例為：瑞士96%，奧地利38%，丹麥27%。

在我國。由于能源價(jià)格的特殊性以及人們節(jié)能、環(huán)保的認(rèn)識程度等原因以及其它一些因素的影響，地源熱泵空調(diào)技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展比較緩慢，人們對之尚不十分了解，推廣較困難。然而，隨著人們生活水平的提高，人均能耗的增長，一次性礦物能源的日益衰竭以及環(huán)境的日趨惡化，地源熱泵技術(shù)已越來越引起人們的重視。

結(jié)束語

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們節(jié)能、環(huán)保意識的日益提高，地源熱泵作為一種節(jié)能、環(huán)保的綠色空調(diào)設(shè)備，可以適應(yīng)能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，在我國必將有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

[1]同方，周大勇.供熱調(diào)節(jié)技術(shù)[Z].2006年08月；

[2]田茂誠.熱力系統(tǒng)[M].濟(jì)南:山東大學(xué)出版社，1997.