浅析地源热泵技术的特点及应用

 　摘要：地源热泵系统的能量来源于地下能源。它不向外界排放废气、废水、废渣, 是一种理想的“绿色空调”, 被认为是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。该系统无论严寒地区或热带地区均可应用本文探讨了地源热泵技术的特点及运用。 

　　关键词：地源热泵；技术；节能；应用 

　　中图分类号： TU201.5 文献标识码： A 文章编号： 

　　地源热泵系统经过多年的研究，在技术上已经比较成熟，而且经过多次的示范实践，肯定其具有节约能源、性能稳定、清洁安全等优点，虽然其初投资比常规采暖空调系统大，但可以大大节省运行维护费用。据世界环保组织估计，设计安装良好的地源热泵，平均可节约用户30%～40% 的采暖空调运行费，因此它将成为大有发展前景的采暖空调技术。 

　　一、地源热泵技术的工作原理 

　　地源热泵技术是一种利用地球表面浅层的地热能资源进行供热、制冷的高效、节能、环保的系统。地源热泵通过输入少量的电能，实现低温热能向高温热能的转移。工作原理见图1，地热能在冬季作为热泵供热的热源；在夏季作为热泵制冷的热汇。 即在冬季，把地热能中的热量“取”出来，提高温度后，向室内供给热量；夏季，把室内的热量“取”出来，“排放” 到地下可缓解城市热岛效应，通常热泵消耗1 k w 的能量用户可以得到今5 kw 的热量或冷量。 　 

　　1-压缩机; 2-蒸发器; 3-冷凝器; 4-节流阀;5 ～ 12-阀门; 13-风机盘管; 14-埋地换热器 

　　图1地源热泵技术的工作原理 

　　二、地源热泵系统的特点 

　　1、 节能、高效 

　　地温一年四季基本恒定在16℃左右，略高于该地区平均温度1到2度，使得热泵无论在制冷或制热工况中均处于高效率点。 地源热泵空调系统在提供100单位能量的时候，70%的能量来源于土壤，30%的能量来自电力，用于将土壤中的热量“搬运”至室内。与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或7090%的燃料内能转换为热量供用户使用，而地源热泵空调系统的转换效率最高可达4.7，因此它要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量，其运行费用仅为普通中央空调的5060%。 

　　2、节省建筑空间、便于运行管理地源热泵没有冷却塔和其它室外设备，省去了锅炉房、冷却塔及附属的煤场、渣场所占用的宝贵面积，节省了空间和地皮，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。热泵机组质量可靠，没有大型的集中机组，无需专人值守，大大减少维修、维护费用，可以实现机组独立计费，分户计量，方便业主对整个系统的管理。 

　　3、 绿色、环保、无污染 

　　地源热泵空调系统在冬季供暖时，不需要锅炉，无燃烧产物排放，可大幅度降低温室气体的排放，既保护了环境，又可遵守《全球气候公约》。在夏季制冷时也是将热量转移到地下，没有任何气体排放到大气中，如果得到广泛应用将可以大大降低温室效应，减缓全球变暖的进程。 

　　4、低运行费用 

　　地源热泵空调系统的高效节能特点，决定了它的低运行费用。其维修量极少，使用寿命和建筑物同期，折旧费和维修费也都大大低于传统空调。由于自动化程度高，无需专业人员操控。一般来说，地源热泵空调系统的供暖和制冷费用只相当于普通空调系统供暖和制冷费用的3070%。 

　　5、应用灵活、安全可靠、用途广泛 

　　地源热泵空调系统灵活性强，套地源热泵系统可以替换原有的供热锅炉、制冷空调和生活热水加热的三套装置或系统。可用于新建工程或扩建、改建工程，可逐步分期施工。热泵机组可灵活地安置在任何地方，节约空间。同时，地源热泵无储煤、储油罐等卫生及安全隐患。因此，地源热泵空调系统从严寒地区至热带地区均适用，可为办公楼、宾馆、医院、饭店、商店、超市、幼儿园、别墅、居民小区等各类建筑物提供冷暖两用空调系统，并可同时提供生活热水 

　　三、地源热泵系统的优势 

　　1、地源热泵的社会效益 

　　我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃烧后产生的大量污染物，是造成温室效益的主要原因。采取地源热泵能够有效减少常规供热和空调对大气的污染，是一项利国利民的绿色工程。 

　　2、地源热泵的经济效益 

　　地源热泵系统可实现对建筑物的供热和制冷，还可供生活热水，一机多用。一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统。系统紧凑，省去了锅炉房和冷却塔，节省建筑空间，也有利于建筑的美观。根据以往项目的经验，由于地源热泵运行费用低，增加的初投资可在5～10（年限有待考证）年内收回，地源热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低于传统的空调系统。同时，地源热泵空调系统的经济性取决于多种因素。不同地区，不同地质条件，不同能源结构及价格等都将直接影响到其经济性。 

　　三、地源热泵的工程设计应用 

　　1、 关于地下水源开采、回灌和土壤换热器的比较 

　　近几年来地源热泵的部分形式是地下水源开采---回灌形式的水源热泵系统。这种形式面临的最大问题是回灌问题。华北、华东地区的地下水位下降， 地面沉降问题一直很严重，多年来面临严重的地沉问题，在利用向地下回灌来控制地面沉降的技术已用多年，积累了很多经验教训。地源热泵土壤换热器有多种形式，如水平埋管，竖直埋管等。这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境，在中国采用竖直埋管更显示出其优越性。节约用地面积，换热性能好，可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能，甚至可在建筑物桩基中设置埋管，见缝插针充分利用可利用的土地面积。采用竖直埋管的土壤换热器形式，不用开采和回灌地下水，没有破坏自然环境的担忧。另外的优点是系统运行更加稳定、安全，没有需要更新和维修潜水泵的烦恼。 

　　2、冬季避免采用防冻液介质 

　　很多资料中介绍了防冻液的种类、性能等。在我国华北及以南区域，因为地下温度不是很低，只要设计足够的土壤换热器数量，可以在使用水作为介质的情况下满足需要。尽量不使用防冻液，避免使用不慎造成环境问题和因温度太低降低热泵效率。 

　　3、系统的管材必需采用高强度惰性材料 

　　土壤换热器系统设计要保证水系统平衡，避免采用室外阀门调节的方式。 

　　4、关于竖直埋管埋设单U 型或双U 型管的问题 

　　从工程实践中看，总体来说单U 型管方式优于双U 型管方式，但是同样的换热量单U 型管需要更多的孔数而增加了建设成本。 

　　5、系统设计参数讨论 

　　关于( 冷) 热源侧水流量，要由最大得热量和最大释热量确定的。埋管中水流速的选取取决于埋管循环流程长度，埋管材料，管径大小，当地地源条件以及机组的特性要求。一般， 如提高水流速度可适当增加换热系数，强化换热量，减小换热面积和换热管的耗材，但流速太快会增加循环水泵能量消耗。一般可取流速为0.65~ 1. 5m/s。具体可当地条件进行优化分析与设计。优化设计时其复合能耗与埋管长度、埋管材料、管径、地源温度、地源热指标、机组特性等因素有关。在机组选择上，设定地埋管进水温度，根据测井测出的进出水温差推算出地埋管出水温度，进而确定热泵机组冬季的蒸发温度和冷凝温度。总之，我国幅员辽阔，在不同地区气候条件差异很大，其负荷也迥然不同。因此不能照搬国外的技术成果，而要开发适合我国气候特点的技术。 

　　随着人们环保意识和节能意识的不断增强，在空调领域寻找清洁可再生能源正日益成为研究热点。地源热泵作为新型可再生能源。很好地满足了节能的需求，具有供能稳定可靠。不受燃料短缺和价格波动影响等特殊优势。并且具有非常明显的清洁环保性能减排效果显著。经过多年的实践，地源热泵在空调领域应用的技术可靠性、经济节能与环保性能已经在诸多工程中得到了验证，具有广阔的发展前景。 

　　参考文献： 

　　[1] 韩冬瑞.  地源热泵的发展与应用研究[J]. 现代经济信息. 2009(18) 

　　[2] 王峥,孙大明.  住宅中地源热泵适用性探讨[J]. 住宅产业. 2009(Z1) 

　　[3] 陶陪.  地源热泵建筑节能环保技术[J]. 住宅产业. 2009(07)