地源热泵的节能机理

 　【摘要】随着全球不可再生资源的急剧下降，人们开始对可再生资源的利用逐渐加强。地源热泵技术就是其中的一项重大成果，本文将对这项技术进行详细介绍。 

　　【关键词】地源热泵；原理；节能 

　　中图分类号：TM08 文献标识码：A 文章编号： 

　　一、前言 

　　人类社会经济的发展，是以浪费能源为代价。由于长期以来人们对能源消耗没有引起足够重视，而使得大量的能源被浪费。随着近些年能源短缺，人们逐渐加强了对能源利用的关注程度。地源热泵技术是一种新型的能源利用技术，是利用丰富的地能来实现冬季取暖，夏季采凉的先进技术。由于地能具有清洁无污染、能源取之不竭等特点，因此，地源热泵技术的开发和应用必将成为未来能源利用技术中的主要组成部分。 

　　二、地源热泵节能系统的组成 

　　1、地源热泵系统的构成 

　　地源热泵系统主要分三部分:室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖、采冷空调末端系统。其中地源热泵机主要有两种形式:水一水式、水一土壤或水一空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递,地源热泵与地能之间换热介质为水,与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。其中地源热泵机组是其核心设备。 

　　2、热泵的组成 

　　热泵与制冷的原理和系统设备组成及功能是一样的,对蒸气压缩式热泵(制冷)系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流阀组成。 

　　压缩机:起着压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处的作用,是热泵(制冷)系统的心脏; 

　　蒸发器:是输出冷量的设备,它的作用是使经节流阀流人的制冷剂液体蒸发,以吸收被冷却物体的热量,达到制冷的目的; 

　　冷凝器:是输出热量的设备,从蒸发器中吸收的热量连同压缩机消耗功所转化的热量在冷凝器中被冷却介质带走,达到制热的目的; 

　　膨胀阀或节流阀:对循环工质起到节流降压作用,并调节进人蒸发器的循环工质流量。 

　　3、热泵的工作原理 

　　热泵的主要工作过程是:压缩机吸人蒸发器内产生的低温低压制冷剂蒸气,保持蒸发器内的低压状态,创造了蒸发器内制冷剂液体不断地在低温下吸收载冷剂热量而沸腾的条件;吸人的蒸气经过压缩,其温度、压力升高,创造了制冷剂被液化的条件;高温高压蒸气排人冷凝器后,在压力保持不变的情况下,被冷却介质(水)冷却,放出热量,温度降低,并进一步凝结成液体,从冷凝器排出;高压制冷剂液体经过节流阀时,因受阻而使压力下降,导致部分制冷剂液体气化,吸收气化潜热,使其本身的温度也相应降低,成为低温低压下的湿蒸气,进人蒸发器;在蒸发器中,制冷剂液体在压力不变的情况下,吸收载剂(水)的热量(即制取冷量)而气化,形成的低压低温蒸气又被压缩机吸走,如此周而复始的往复循环。 

　　4、 热泵的节能和能效 

　　热泵的节能主要是体现在它可以将较低的能量转换成较高的能量，在地源热泵技术的应用中主要表现在消耗较少的电能，再利用热泵转换出较多的热能，以供用户取暖。 据相关研究显示，当热泵消耗 1单位的电能时，就可以产生 3-5 单位的热能，这不仅能使能源利用率得到很大提升，也具有更高的经济性。 

　　三、地源热泵节能特点 

　　地表浅层土壤热资源的温度一年四季相对稳定，冬季的地表浅层土壤比环境空气温度高，夏季的地表浅层土壤比环境空气温度低，是很好的热泵冷热源。地表土壤的温度特性使地源热泵的运行效率比传统空调系统高并且相对节能。地源热泵是利用浅层土壤地热资源作为冷热源进行能量转换的供暖空调系统。这种储存于地表浅层的可再生能源，使地能成为一种可再生能源。地热源热泵系统可供暖、供冷，可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于宾馆和学校生产、生活用热水，能产生显著的效益。 

　　四、三种地源热泵系统 

　　地源热泵系统根据所利用的地热资源分为地下水源热泵系统、地表水热泵系统和土壤源热泵系统三类。 

　　1、地下水热泵系统 

　　(l)地下水热泵系统工作原理 

　　地下水热泵系统,也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。通过建造抽水井群将地下水抽出,通过二次换热或直接送至水源热泵机组,经 

　　提取热量或释放热量后,再由回灌井群灌回地下。 

　　(2)地下水热泵系统的优点 

　　①节约能量,环保无污染。在整个采暖和制冷过程中,只向水源中吸热或者排热,并不消耗水量也不污染水。 

　　②节省面积。不使用冷水塔,不消耗冷却水,节省占地面积 

　　③经济价值高。 

　　(3)地下水热泵系统的缺点 

　　大量利用水资源,适宜于地下水资源丰富的地区,否则若处理不当易造成地面下沉。 

　　2、地表水热泵系统的工作原理 

　　(l)地表水热泵系统的工作原理 

　　地表水热泵系统。通过直接抽取或者间接换热的方式,利用包括江水、河水、湖水、水库水、海水以及再生水作为热泵的冷热源。 

　　(2)地表水热泵系统的优点 

　　在10米或更深的湖中,可提供10℃的直接制冷,比地下埋管系统投资要小,水泵能耗较低,高可靠性,低维修要求、低运行费用,在温暖地区,湖水可做热源。 

　　(3)地表水热泵系统的缺点 

　　在浅水湖中,盘管容易被破坏,由于水温变化较大,会降低机组的效率。 

　　3、地下埋管的地源热泵系统 

　　(l)土壤源热泵系统的工作原理 

　　土壤源热泵系统是把热交换器埋于地下,通过水再由管道(一般为高强度塑料管)组成的封闭环路中循环流动,从而实现与大地土壤进行冷热交换的目的。夏季通过机组将房间内的热量转移到地下,对房间进行降温。同时储存热量,以备冬用。冬季通过热泵将土壤中的热量转移到房间,对房间进行供暖,同时储存冷量,以备夏用,大地土壤提供了一个很好的免费能量存贮源泉,这样就实现了能量的季节转换。按土壤热交换器形式分为垂直埋管地源热泵系统、水平埋管地源热泵系统。 

　　(2)垂直埋管地源热泵系统 

　　垂直埋管地源热泵系统的优点有:较小的土地占用,管路及水泵用电少,其缺点是钻井费用较高。 

　　(3)水平埋管地源热泵系统 

　　水平埋管地源热泵系统的优点:安装费用比垂直式埋管系统低,应用广泛,使用者易于掌握. 

　　(4)地下埋管的地源热泵系统优点 

　　①温度稳定,全年波动较小,冬季土壤温度比空气高,因此热泵的制热系数较高; 

　　②土壤的传热盘管埋于地下,热泵运行中不需要通过风机或水泵采热,无噪声,换热器也不需要除霜; 

　　③土壤有蓄能作用。 

　　五、地源热泵节能系统的应用 

　　1、地源热泵系统的适用条件 

　　地源热泵系统一般是利用了地下30m至300m深、温度既不低又不高的恒温带作为热泵系统的“源”与“汇”的地下环境,和全年空调热泵自身既需夏季排热和又需冬季取热的特点。为确保了热泵的高效、稳定、和可持续地运行,地源热泵系统的建设一般应遵循以下适用条件: 

　　(1)全年室外空气平均温度(或地下恒温带温度)处于10一20℃的地域; 

　　(2)具有经济打井的地质条件和拥有合适浅层地下水资源的地域; 

　　(3)全年向地下总排热量和总取热量相等或接近的供热供冷工程,否则就需采用一些工程的辅助与补救措施; 

　　(4)夏季供冷温度不低于5℃,冬季供热温度不高于60℃的工程; 

　　2、地源热泵系统的应用方式 

　　地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类,从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。 

　　(l)家用系统 

　　用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应,多用于小型住宅,别墅等户式空调。 

　　(2)集中系统 

　　热泵布置在机房内,冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。 

　　(3)分散系统 

　　用户单独使用自己的热泵机组调节空气。一般用于办公楼、学校、商用建筑等,此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上,便于计量,适用于目前的独立热计量要求。 

　　(4)混合系统 

　　将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统,混合系统与分散系统非常类似,只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。 

　　六、地源热泵系统的优点 

　　1、高效节能,稳定可靠 

　　地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定,土壤与空气温差一般为17度,冬季比环境空气温度高,夏季比环境空气温度低,是很好的热泵热源和空调冷源,这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%一60%,因 

　　此要节能和节省运行费用40%一50%左右。通常地源热泵消耗IKW的能量,用户可以得到5KW以上的热量或4KW以上冷量,所以我们将其称为节能型空调系统。 

　　2、无环境污染 

　　地源热泵的污染物排放,与空气源热泵相比,相当于减少40%以上,与电供暖相比,相当于减少70%以上,真正的实现了节能减排。 

　　3、一机多用 

　　地源热泵系统可供暖、制冷,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。 

　　4、维护费用低 

　　地源热泵系统运动部件要比常规系统少,因而减少维护,系统安装在室内,不暴露在风雨中,也可免遭损坏,更加可靠,延长寿命。 

　　5、使用寿命长 

　　地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管,寿命可达50年。要比普通空调高35年使用寿命。 

　　6、节省空间 

　　没有冷却塔、锅炉房和其它设备,省去了锅炉房,冷却塔占用的宝贵面积,产生附加经济效益,并改善了环境外部形象。 

　　七、结束语 

　　中国具有应用地源热泵技术的广阔市场与条件，加之地源热泵技术本身具有节能、环保的优势，地源热泵技术的应用前景十分广阔。 

　　参考文献： 

　　［1］王敏，地源热泵的应用进展[J].建筑热能通风空调，2012 

　　［2］张鑫，地埋管地源热泵空调系统设计施工中应注意的问题[J].建筑技术，2011