談地源熱泵系統在暖通空調中的應用

摘 要：暖通技術中的地源熱泵是一項新技術，隨著經濟的蓬勃發展，越來越多的人開始關注它，對暖通工程的需求越來越大。因此本文根據其原理及特點進行分析，對地源熱泵系統在暖通工程實踐中的應用問題提出探討，進一步推進地源熱泵在暖通工程中的應用，從而更有效的提高工程質量。

關鍵詞：暖通 地源熱泵 技術特點

地熱的利用在當今社會已經成為了能源研究以及開發利用的新課題，地熱能源的主要特點就是可再生且無污染，而地源熱泵式的中央空調在進行溫度調節時又體現了其所具有的靈活舒適以及節能環保的特性。所謂的地源熱泵實則就是通過在地下進行管道的埋設，用以吸收土壤以及地下水中的能量。這種利用主要就是基于淺層土壤以及地下水的溫度穩定，且溫度較高，不會受到外界的環境影響，因此冬季制熱以及夏季制冷，較之其他的熱源熱泵的能效上都要具有優勢。這些的前提都需要管道的埋設即要有足夠的地方進行冷熱交換的裝置安裝，或者是政府允許對地下水進行抽取，若是允許就應當選擇此種溫度調控系統。

1地源熱泵技術在暖通空調設計中

地源熱泵利用地下淺層地熱資源（也稱低能，如地下水，地表水，土壤等）的即可供熱又可供冷的空調系統。地源熱泵通過輸入少量的低品位能，實現低品位能向高品位能的轉移。地能分別作為冬季熱泵供熱的熱源和夏季制冷的冷源。如在冬季，把地能中的熱量取出來，提高溫度后，供給室內采暖，夏季，把室內的熱量取出來釋放到地能中去。通常地源熱泵消耗Ikw的能量，用戶可以得到4kw以上的熱量或冷量。地源熱泵系統可供暖、空調制冷，還可提供生活熱水，一機多用，一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統，尤其表現在對于同時有供熱和供冷要求的建筑物。地源熱泵有著明顯的優點，可以有效節約能量的消耗，而且用一套設備可以同時滿足供熱、供冷、供生活用水的要求，減少了設備的原始資金投入，同時，地源熱泵還可應用于賓館、居住小區、公寓、廠房、辦公樓、學校、商場等建筑，小型的地源熱泵更適合于別墅住宅的采暖、空調。

2地熱熱泵空調系統的節能特性

其他熱泵系統諸如風冷熱泵系統在運行時都會遇到一個同樣的尷尬問題，就是當我們最需要它們的時候，它們總是處在效率最低的時候。因為它們冬天運行時需要從室外空氣（水）吸熱，夏天運行時需要放熱給室外空氣（水）。由熱力學第二定律可知兩種介質之間的傳熱量是由這兩種介質的溫差決定的，冬天室外溫度越低，熱泵的冷媒和空氣（水）間的溫差越小，吸熱量越小，供熱情況則越差。同時，由于室內外溫差較大，大量的熱量從圍護結構的縫隙中自室內泄漏至室外，要維持恒溫，就需要同等的熱量來補充這部分泄漏的熱量。而此時的供熱情況又不理想，無法提供同等的熱量，所以出現了前述的尷尬問題，夏天則亦然。為了解決這個問題，冬天需要提供電加熱器作為輔助供熱設施，從而使整個供熱系統的效率下降，耗費大量的能源。風冷熱泵機組的制冷量和能效比都是以室外溫度為自變量的函數，所以風冷熱泵機組的銘牌工況往往和實際使用時的工況有一定差距。以某一額定冷量為98 kW的風冷熱泵為例，生產廠家給出的季節能效比（SEER）為2.5，但是在國家標準規定的額定條件下測試結果（SEER）卻為2.2。當室外溫度上升至37℃，風冷熱泵的能效比下降到1.95，表示效率減少了11%；當室外溫度上升至42℃時，風冷熱泵的能效比下降到1.6，表示效率減少了27%，這意味著需要增加27%的電能才能達到相同的制冷效果。地源熱泵機組的性能是不隨室外溫度和濕度的改變而改變的，因為土壤的溫度全年變化很小，地源熱泵系統在夏季和冬季的能效比變化也很小。一個98 kW的地源熱泵機組在制冷模式下，進水溫度為12℃時的能效比大約是3.6。

3影響地源熱泵空調系統節能特性的因素

地源熱泵是把地表土壤作為熱源的，要了解地源熱泵的節能特性就需要了解地表土壤的熱特性。大地土壤中蘊藏著豐富的低溫地熱，它儲存了取之不盡、用之不竭的低溫可再生能源，這種能源被稱為淺層低溫地熱能。地源熱泵就是充分利用了這種淺層低溫地熱能，通過地埋管土壤換熱器系統與大地交換熱量，交換過程中的主要問題是需解決土壤冬夏季吸熱和放熱的平衡性。

3.1熱工特性

熱工特性主要包括導熱系數、容積熱容量和熱擴散率等。其中導熱系數表示土壤傳導熱量能力的一個熱物理特性指標，土壤的容積熱容量表征土壤的蓄熱能力，而熱擴散率則表征土壤溫度場的變化速度。導熱系數、容積熱容量、擴散率因土壤成分、結構、密度、含水量的不同有異，并隨著地區不同和季節的變化而變化。在同一地區，土壤的放熱量是土壤吸熱量的80%。

3.2大地的溫度

對大地土壤溫度情況的了解是很重要的，因為大地與地埋管中的循環水之間的溫差驅動熱量傳遞，大地溫度接近全年的地表面平均溫度。根據測定，10m深的土壤溫度接近于該地區全年平均氣溫，并且不受季節的影響。在0.3m深處偏離平均溫度為±15℃，在3m深處為±5℃，而在6m深處為±1.5℃，溫差波動在較深的地方消失。根據資料記載，平均地下溫度在60m深度以下視為恒定。土壤越深，對熱泵運行越有利。

3.3含水率

土壤的含水率是影響傳熱能力的重要因素，但水取代土壤微粒之間的空氣后，它減小微粒之間的接觸熱阻提高了傳熱能力。土壤的含水量在大于某一值時，土壤導熱系統是恒定的，稱為臨界含濕量；低于此值時，導熱系數下降。在夏季制冷時，熱交換器向土壤傳熱，熱交換器周圍土壤中的水受熱被驅除。如果土壤處于臨界含濕量時，由于水的減少使土壤的傳熱系數下降，惡性循環，又使土壤的水分更多地被驅除。土壤含水率的下降，土壤吸熱能力衰減的幅度比土壤放熱能力衰減的幅度相對較大。所以在干燥高溫地區采用地耦管要考慮到土壤的熱不穩定性。在實際運行中，可以通過人工加水的辦法來改善土壤的含水率。

4結束語

綜上所述，為保護大氣環境，應積極開展地熱熱泵在暖通空調中的應用研究工作。地熱熱泵在暖通空調中的應用將會帶來環境效益，對溫室效應也有積極作用。地熱熱泵在暖通空調工程領域應用是一種節能、環保、高效的能源利用技術。

參考文獻：

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[2]李俊峰，國內外可再生能源政策綜述[J]可再生能源，2012