地源熱泵技術在暖通空調節能中的應用

張井剛 石盼盼

摘 要：隨著人們環保意識和節能意識，在空調領域的清潔和可再生能源正日益成為一個熱門研究課題，地源熱泵作為一種新型可再生能源，可以滿足節能的要求，具有良好的清潔性和穩定性，實現節能減排的效果。本文論述了地源熱泵技術在暖通空調節能中的應用，具有一定的參考和借鑒性意義。

關鍵詞：地源熱泵；暖通空調；節能；應用

目前，隨著我國的能源消耗量越來越大，地源熱泵作為一種能源消耗量極低的一項技術，在很大程度上不僅可以滿足群眾不同冷暖的需求，而且還具有環保節能的優點，因此，很受廣大的群眾信賴。所謂地源熱泵，它是一種高新的技術，主要是以地能源土壤、地下水及地表水等方式來作為熱泵夏季制冷的冷卻源和冬季取暖供熱的低溫熱源的系統，同時也是實現采暖、制冷及生活用水的一種系統。與傳統的采暖空調方式相比，地源熱泵具有環保節能、冷暖熱聯供、操控方便等優勢，對解決公共設施建設中的冷暖熱問題具有重要作用，因此，該技術在我國將會有一個不錯的發展前景。

1 地源熱泵系統概述

1）地源熱泵的原理。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，是人類一年使用能量的500多倍。它不受地域資源等限制，量大面廣無處不在，這種存儲在地球表面淺層幾乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔能源的一種形式。地源熱泵可以充分利用地能，是一項可持續發展技術。地源熱泵系統的核心裝置是一個熱泵機組，其理論基礎是逆卡諾循環。地源熱泵系統制冷時，可將淺層地下水或地表水作為散熱體；供熱時則將淺層地下水或地表水作為低溫熱源，通過消耗部分電能從低溫熱源中吸取熱量，其供熱量為消耗的電能與從低溫熱源中吸取的熱量之和。

2）地源熱泵系統的組成。通常來講，地源熱泵系統以滿足用戶以下三個要求： 夏季制冷、冬季供暖及全年生活熱水，一個系統可以取代當前的空調和兩種鍋爐設備。

地源熱泵系統主要包括熱泵系統、室內末端系統、室外管網系統以及控制系統。對于土壤源熱泵，各個系統之間的換熱介質主要有土和水兩種。水型地源熱泵技術出現比較早，20世紀60-70年代就已經在歐洲地區得到廣泛應用，它是利用淺層地下水中的熱量作為低位熱源，這種地源熱泵系統一般用于地板輻射供暖；從20世80年代起，一些地下水比較缺乏的地區漸漸研發出了一種利用土壤中熱量的方法，這種地源熱泵被稱為土壤源熱泵，其室內系統一般采用風機系統供應熱風或者冷風。

2 地源熱泵系統的性能特點

1）地源熱泵系統運行費用低。地源熱泵空調系統的高效節能特點，決定了它的低運行費用。其維修量極少，使用壽命和建筑物同期，折舊費和維修費也都大大低于傳統空調。由于自動化程度高，無需專業人員操控。一般來說，地源熱泵空調系統的供暖和制冷費用只相當于普通空調系統供暖和制冷費用的30―70%。

2）地源熱泵系統節能、高效。地溫一年四季基本恒定在16℃左右，略高于該地區平均溫度1到2度，使得熱泵無論在制冷或制熱工況中均處于高效率點。地源熱泵空調系統在提供100單位能量的時候，70%的能量來源于土壤，30%的能量來自電力，用于將土壤中的熱量“搬運”至室內。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%的燃料內能轉換為熱量供用戶使用，而地源熱泵空調系統的轉換效率最高可達4.7，因此它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，其運行費用僅為普通中央空調的50―60%。

3）綠色、環保、無污染。地源熱泵空調系統在冬季供暖時，不需要鍋爐，無燃燒產物排放，可大幅度降低溫室氣體的排放，既保護了環境，又可遵守《全球氣候公約》。在夏季制冷時也是將熱量轉移到地下，沒有任何氣體排放到大氣中，如果得到廣泛應用將可以大大降低溫室效應，減緩全球變暖的進程。

4）節省建筑空間、便于運行管理。地源熱泵沒有冷卻塔和其它室外設備，省去了鍋爐房、冷卻塔及附屬的煤場、渣場所占用的寶貴面積，節省了空間和地皮，產生附加經濟效益，并改善了環境外部形象。熱泵機組質量可靠，沒有大型的集中機組，無需專人值守，大大減少維修、維護費用，可以實現機組獨立計費，分戶計量，方便業主對整個系統的管理。

3 地源熱泵技術在暖通空調節能中的運用

3.1 地源熱泵空調系統的分類

以當前地源熱泵在空調應用系統中的交換機形式來看，可主要分為以下幾種形式：

1）土壤的地源熱泵。在土壤熱源的交換機中，含有一個土壤耦合熱交換器。根據不同的埋管方式，可將土壤熱交換器劃分為垂直埋管、水平埋管以及螺旋埋管三種類型。一般情況下。水平埋管的深度為1.2-3.2m，多為多層串或者單層串，這種施工方式較為便捷、造價低廉，但是換熱效果不佳，極易受到地面溫度的影響，運行穩定性較差；垂直埋管的深度約為10-100m，可采取套管或者U型垂直埋管方式。這種埋管方式的占地面積較小，全年土壤溫度穩定，因此系統運行較為穩定。螺旋埋管集合水平埋管與垂直埋管的優勢，節約占地面積與安裝費用，但是系統的結構較為復雜，給管道施工帶來一定難度，同時增大系統的運行阻力。

2）地表水的地源熱泵?；诘乇硭牡卦礋岜孟到y，包括各種潛在水面表層下部的串聯式地表水交換器，以此替代地下水的熱交換器地表水源熱泵可分為開放式系統與封閉式系統兩種形式，由于地下水的水溫為恒定狀態，因此機組運行較為穩定，由于地表水的水溫容易受到水的深度以及環境溫度等因素影響，因此熱泵機組的運行不穩定。另外，由于地表水的地源熱泵換熱器可能布置在公共水域中，容易遭到破壞，增大維護成本。

3）地下水的地源熱泵。地下水地源熱泵可分為開放式系統與封閉式系統兩種。一方面，開放式地下水熱源泵系統，主要抽出地下水并供給到室外的側冷凝器，吸收熱量后回灌到地下；開放式系統的換熱效果良好，但是應該注意管路與熱泵系統容易受到地下水的腐蝕或堵塞；另一方面，封閉式地下水熱源熱泵系統，利用板式換熱器將熱泵設備與地下水分離，以此規避了開放式系統的腐蝕及堵塞問題，但是由于板式換熱器需要實行二次換熱，因此換熱效果并不理想。

3.2 地源熱泵空調系統的機組設計

當前，地源熱泵應用的形式較為廣泛，尤其以蒸汽壓縮式熱泵的商用范圍最為廣泛。其主要由若干室內機組及一個室外機組構成，在該系統中，可以對每個空調進行獨立調節，滿足不同的空調溫度要求，節能效果良好。

因此，優化機組設計，對整個系統的運行非常重要。在傳統的空調系統設計中，主要為經驗主義加實驗辦法，通過設計簡單、易用的實驗辦法，減少對理論知識、實驗條件等依賴性。但是在實驗設計中，難以避免穩定性低、可靠性差等問題，因此大多應用于產品初級開發階段。地源熱泵在空調系統中的應用，表征方案的獨立變量以設計變量為主，最佳的優化辦法就是研究確定變量的具體辦法。有關評價方案的優劣，主要由設計變量來決定，那么該指標就是設計變量的函數。變頻式地源熱泵空調系統，主要包括蒸發器、冷凝器、變頻壓縮機、室內機、電子膨脹閥、水泵水管路系統、制冷劑管理等。結合制冷系統的熱力學理論，利用相互關聯、參數動態分布等辦法，構建系統內的運行參數動態方程及數學模型，構成系統運行參數的方程組，并實行動態模式。

4 結語

經過多年的開發研究，地源熱泵技術已經有了較為成熟的技術基礎，但地源熱泵空調技術的應用和發展仍相對緩慢。隨著人們生活水平的提高，能源消耗的速度越來越快，需要充分了解暖通空調地源熱泵節能技術的特點，從各個方面出發，滿足規定要求和標準，在節約能源的基礎上，實現理想的經濟效益和社會效益，提高人們的生活質量。

參考文獻

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