住宅中地源熱泵空調系統的應用

屈高陽

【摘要】隨著生活水平的提高，人們對生活環境，生活質量的要求越來越高，地熱泵空調系統在建筑界的使用隨之而生，并有著高效節能、穩定可靠，維護費用低，無環境污染等多方面優點，在眾多使用人群中，住宅用戶占市場比例中的一大部分，本文從住宅的角度出發，研究地源熱泵空調系統在住宅中的應用原理，優缺點以及未來的發展前景。

【關鍵詞】住宅；地源熱泵空調系統原理；優缺點；發展前景

一、地源熱泵空調系統的工作機制

（一）地熱源泵空調系統的含義與工作原理

熱泵中包括一種新型能源利用技術，即地源熱泵空調系統，其工作能量是利用淺層地能實現制冷供熱，是一種熱泵式的設備，它可以實現冷量和熱量之間的轉換是依賴卡諾循環原理和逆卡諾循環原理。地源熱泵通俗的說是將土壤中的冷量和熱量轉移，主要目的在于實現空調制冷和采暖。地熱源泵一個年度還能形成一個冷熱循環，土壤內蘊含巨大的儲冷儲熱能力，夏季建筑物所使用的冷量來源于地下，冬季地源將熱量由地下轉入建筑物供人利用，如此循環往復。

（二）地源熱泵空調系統在住宅中的應用機制

1.地源熱泵空調系統的制冷模式在居住環境中的應用

地源熱泵機組的內部裝有壓縮機裝置，它可以通過對冷媒作用使機組處于制冷狀態，促進氣體與液體之間的轉化與循環，風機盤管循環所產生的熱量被冷媒吸收，加快蒸發器內冷媒的蒸發，冷媒循環工作和冷凝器當中的冷媒凝結一同作用，隨后冷媒所產生的熱量由水路循環帶向地水、地下水和土壤當中等。經過風機盤管將室內熱量向地下水中傳遞的過程中，房間供冷溫度以13℃最適宜。

2.地源熱泵供暖模式在住宅環境下的應用

當地源熱泵機組處于供暖狀態時，調整換向閥可改變冷媒流動方向，此時壓縮機對冷媒做功。來自于地下的水路循環可以吸收土壤里、地表水、地下水中部分熱量，利用冷凝器內冷媒蒸發的工作原理，將水路循環的產熱融入冷媒中，冷媒循環工作時，蒸發器內的冷媒冷凝就可對風機盤管循環的產熱進行吸收。所以，地下熱量被永不停歇的輸入室內，室溫熱風超過35℃，為房間提供暖源。

二、住宅中地源熱泵空調系統工作原理的利弊

（一）住宅中地源熱泵空調系統工作原理的益處

1.可再生資源

地源熱泵的工作機制是能夠進行能量轉換的制冷供暖的空調系統，它利用地球所儲的太陽能資源為冷熱源，充分利用可再生清潔能源技術。地表土壤和水體形成一個天然巨大的太陽能集熱器，它可以收集來自于太陽能輻射量能量的500倍以上，地源熱泵還是一個巨大的動態平衡系統，地表土壤和水體共同維持能量接受與散發的平衡，其所儲存的巨大的太陽能與地能是地源熱泵技術的能源保障。

2.高效節能性

地源熱泵機組的工作溫度高于環境空氣溫度，相比而言，地源熱泵機組在冬季可利用土壤或水體的溫度范圍為12-22℃，地源-熱泵循環系統中能效隨著蒸發溫度的提高而上升；機組在夏季可利用土壤或水體溫度的范圍為18-32℃，空氣溫度相比低于環境空氣溫度，制冷系統的冷凝溫度也逐步降低，風冷式與冷卻塔式制冷效果與效率明顯低于地源熱泵式，因此也節省了30%-40%的費用。投入1KW的電能可獲得四倍以上的熱能或冷量。

3.環境和經濟效益提高

地源熱泵機組運行的過程中，具有耗水少、不污染水、不需要鍋爐、冷卻塔、還可以節約堆放燃料廢物的場地，大大提高了環保效益。另一方面，土壤源地源熱泵系統遭到廢棄時，地下的熱交換管道難以取出處理，因此造成打井區域的地下污染，地源熱泵機組在電力消耗方面比空氣源熱泵少40%以上，比電供暖少70%以上，其制熱系統將燃氣鍋爐效率提升50%左右，高出燃油爐效率的75%。

4.一機多用，變通力強

地源熱泵系統在生產生活中可提供制冷供暖和生活熱水，一機多種功能，整套系統是鍋爐和空調兩個系統功能的地源熱泵系統對要求同時要求具有供熱和供冷功能的建筑物頗具優勢，節省能源的同時也減少了設備的初投資。地源熱泵系統可適應于賓館，居住小區，公寓，廠房，商場，辦公樓等建筑地區，小型地源熱泵系統也可為別墅住宅提供制冷，供熱方便。

5.自動運行

地源熱泵系統的工況穩定，因此其設計較為簡單劃一；機組運行平穩，售后維護費用少；可操控性強，壽命長。

（二）住宅中地源熱泵空調系統的工作原理及弊端

事物具有兩面性，地源熱泵系統受到來自不同地區以及不同用戶，不同國家的能源政策和燃料價格變動等因素的影響，在實際工作中也表現出部分缺點；一次性投資及運營費根據用戶不同而有所差異；常年開采地下水，地源熱泵系統會受到地下水水資源的制約，地源熱泵系統使用過的地下水可以二次回收灌溉，對水體無害。

地源熱泵技術在實際應用中面臨的問題是“土壤熱不平衡”。南方地區一年四季多為供冷，熱量多注入地下；北方地區冬季供暖需求增大，熱量多來源于土壤，長此以往，土壤溫度逐漸失衡，生態系統遭到破壞。夏熱冬暖地區對夏季需供冷量大于冬季供熱量，其他熱量經由冷卻塔冷卻，少部分進入余熱回收系統用于生活供水，這對緩解土壤熱不平衡問題大有裨益。

三、與其他制冷供熱系統相比，地源熱泵空調系統在住宅中應用的優點

地源熱泵機組在冬季可以利用土壤或者水體溫度范圍為12-22℃，其溫度較大于環境空氣溫度，熱泵循環的能效隨蒸發溫度的提升而逐步增加；熱泵機組在夏季可利用土壤或者水體溫度范圍為18-32℃，比環境空氣溫度稍低，機組制冷系統的冷凝溫度的降低使其制冷優勢大于風冷式和冷卻塔式，節省了30%-40%的供熱制冷經費，1kw的電能至少可得到4-5kw以上的供暖制冷能量。地源熱泵系統相比較傳統鍋爐（電與燃料）的供熱系統而言，傳統鍋爐的供熱系統可轉化的熱能僅為全部電能的90%或燃料內能的70%-90%，投入用戶供暖和制冷當中，這節省了電鍋爐加熱三分之二的電能以及二分之一左右的燃料鍋爐能量，地源熱泵系統在全年的溫度大約恒定在10-25℃，制冷與制熱系數高達3.5-4.4，高出傳統空氣源熱泵系統40%，運行經費也僅為普通中央空調的50%-60%。所以，科技發展的幾年來，地源熱泵空調系統在北美、中歐、北歐等多個國家取得顯著成效，而中國地源熱泵市場逐漸復蘇，預計在不遠的將來，地源熱泵技術將成為最有效最普遍的供暖制冷空調技術。

（一）地源熱泵系統與其他加熱制冷方式在能源消耗方面的比較：

加熱方式能源消耗百分比

地源熱泵 30%

柴油鍋爐 60%

液化氣 70%

電加熱 100%

通過比較可知，地源熱泵加熱系統是最節能減耗的。

（二）地源熱泵中央空調與傳統中央空調的優勢區別

1.環境保護因素

根據土壤源熱泵系統的運行原理可知，土壤源熱泵系統屬于天然綠色環保空調，無論是在冬季還是夏季運行，其對建筑外大氣環境的不良影響少之又少。普通中央空調系統所產生的廢熱或水蒸氣直接排向大氣，對環境造成嚴重污染。土壤源熱泵系統是以地球表面淺層地熱資源為冷熱源，這種利用清潔和可再生能源的方式是可持續發展的必然要求。

2.運行效率

普通中央空調系統無論是在風冷熱泵機組還是在冷卻塔冷水機組的設置上，都受到來自外界天氣條件的制約，主機的供冷量、供熱量不足，難以滿足空調區的供冷或供熱需求，對夏熱冬冷地區的作用效果下降，運行效率降低。與之不同的是，地源熱泵機組與外界換熱的媒介是大地，大地溫度相對穩定，受空氣影響小，因此，地源熱泵系統的運行效率高于普通中央空調系統。

3.經濟因素

地源熱泵系統集合了采暖、空調制冷和提供生活熱水的功能，整套系統代替了傳統了供熱鍋爐和制冷空調以及生活用水加熱等系統，降低成本投入的同時，經濟又環保。

4.運行成本

地源熱泵系統的運行特點是有目共睹的：地源熱泵消耗1kw的能量，用戶在使用過程中可獲得4kw的冷量或者熱量，制冷制熱系數達到4以上，高出傳統空氣源熱泵系統能源利用率的40%以上，其花費也僅為傳統空調系統50%-60%。在相同制冷制熱效率下，地源熱泵主機的輸入功率相對較小，這對全年時間需要使用空調的場所，大大的降低了其運營成本。鍋爐的能源利用率一般為70%-90%，但是地源熱泵系統的節能總量達到了鍋爐加熱的三分之二，也是燃料鍋爐的一半左右。

四、住宅中地源熱泵空調系統的前景

“十二五”期間，我國通過地源熱泵系統實現供暖制冷的總面積高達3.5億平方米，全部地熱能開發利用的市場規模將超過700億元。國家能源局等4部委對快速促進地熱能的開發與發展提出了指導意見（2013）48號至2015年，近年來，我國地熱能資源分布明確，因此建立完整的國家地熱能資源數據和信息服務體系迫在眉睫。現今我國地熱供暖面積普及，已超過5億平方米，地熱的發電裝機容量也高達10萬千瓦，是2000萬噸標準煤的使用量，該系統是融合地熱能資源評價，開發與利用技術，產業服務等為一體的體系。至2020年以后，地熱能資源的利用量等于5000萬噸標準煤，地熱能產業開發技術和體系趨于完整。

參考文獻：

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