地源热泵节能分析

 　【摘 要】在建筑供热空调中采用热泵技术可以有效地提高一次能源利用率。本文阐述了利用地源热泵比传统空调系统节能的原理，并结合工程实例对地源热泵系统的节能性进行实际分析。 

　　【关键词】地源热泵；建筑环境；节能 

　　1 地源热泵原理与组成 

　　随着经济的发展和生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求。在发达国家中，建筑能源耗费量大约占总能耗的三分之一，其中供热和空调的能耗可占到建筑能耗的65%。在全球能源形势日趋紧张的今天，空调节能变得尤其重要。而且大量燃烧矿物燃料所产生的环境问题也已成为各国政府和公众关注的焦点。因此，除了集中供热以外，急需发展其他的替代供热方式。地源热泵就是能有效节省能源、减少大气污染的供热和空调新技术。 

　　地源热泵是利用大地（土壤、地层、地下水）作为热源。地源热泵系统一般由地热能交换系统、水源热泵机房系统和建筑内末端散热系统三部分组成。其中，地热能交换系统可以说是地源热泵与其它传统中央空调系统唯一和最大的区别。 

　　地源热泵空调系统流程参见图1。 

　　2 地源热泵分类 

　　以建筑物的空调（包括供热和制冷）为目的的热泵系统有许多种。就性质来分，通常可分为空气源热泵和地源热泵两大类。地源热泵又可进一步分为地表水热泵、地下水热泵和地下耦合热泵。下面主要就地源热泵做详细介绍。 

　　2.1 地下水热泵 

　　地下水源热泵系统的热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。经过换热的地下水可以排入地表水系统，但对于较大的应用项目通常要求通过回灌井把地下水回灌到原来的地下水层。水质良好的地下水可直接进入热泵换热，这样的系统称为开式环路。实际中更多采用闭式环路的热泵循环水系统，即采用板式换热器把地下水和通过热泵的循环水分隔开，以防止地下水中的泥沙和腐蚀性杂质对热泵的影响。由于地下水温常年基本恒定，夏季比室外空气温度低，冬季比室外空气温度高，且具有较大的热容量，因此地下水热泵系统效率比空气源热泵高，COP值一般在3-4.5，并且不存在结霜等问题。最近几年地下水源热泵系统在我国得到了迅速发展。 

　　2.2 地表水热泵 

　　地表水热泵系统的一个热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大体量自然水体的地方利用这些自然水体作为热泵的低温热源是值得考虑的一种空调热泵的形式。热泵与地表水的换热可采用开式循环或闭路循环的形式。开式循环是用水泵抽取地表水在换热器中与热泵的循环液换热后再排入水体。其缺点是水质较差时在换热器中产生污垢，影响传热，甚至影响系统的正常运行。更常用的地表水热泵系统采用闭路循环，即把多组塑料盘管沉入水体中，热泵的循环液通过盘管与水体换热，可以避免水质不良引起的污垢和腐蚀问题。当然，这种地表水热泵系统也受到自然条件的限制。 

　　2.3 地下耦合热泵 

　　地下耦合热泵系统是利用地下岩土中热量的闭路循环的地源热泵系统。通常称之为“闭路地源热泵”，以区别于地下水热泵系统，或直接称为“地源热泵”。它通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。地下耦合热泵系统在结构上的特点是有一个由地下埋管组成的地热换热器。地热换热器的设置形式主要有水平埋管和竖直埋管两种。水平埋管形式是在地面开1-2米深的沟，每个沟中埋设2、4或6根塑料管。竖直埋管的形式是在地层中钻直径为0.1-0.15 m的钻孔，在钻孔中设置1组（2根）或2组（4根）U型管并用灌井材料填实。钻孔的深度通常为40-200 m。现场可用的地表面积是选择地热换热器形式的决定性因素。竖直埋管的地热换热器可以比水平埋管节省很多土地面积，因此更适合中国地少人多的国情。 

　　3 地源热泵的节能原理 

　　由于较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度，因此地源热泵在冬季可以把大地中的热量升高温度后对建筑供热，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。这样在地源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。 

　　在能源形势日趋紧张的今天，地源热泵技术具有极大地推广价值，原因就在于地下有替代一次性能源（煤、石油、天然气等）的巨大资源。地源热泵的性能系数（COP）通常大于4，即地源热泵每输入1kW的电能，能输出4kW的冷热能量，扣除过程损耗因素，性能系数仍然在3.5以上，其高效的原因在于借助了3kW的地热能源，比烧煤、烧油、用电的效率高出很多。地源热泵系统即使把电厂污染也算到热泵头上，总体看也非常节能。另外，通过与传统的中央空调系统的对比也可以看出地源热泵系统的节能性。 

　　3.1 夏季制冷时 

　　由于传统的中央空调系统是通过冷却水（冷却塔）与大气进行能量交换来释放制冷机组制冷所释放的热量；而地源热泵系统是通过水与温度稳定的地热能交换系统（土壤、地下水、地表水）进行能量交换来释放水源热泵机组制冷所产生的热量。众所周知，进行能量交换的两种物质的温差越大，交换效果越好，而温度稳定的地热能交换系统（土壤、地下水、地表水）与水之间的温差明显要大于大气与水之间的温差，所以地源热泵系统比传统的中央空调系统提取能量时能耗低，效率高。从夏季制冷上来说，其性能系数（COP值）比普通家用空调效率高一倍以上，比大型中央空调高20%以上。 

　　3.2 冬季供暖时 

　　传统的中央空调系统最终是以市政热力、燃煤或直接用电作为热源。经计算，地源热泵的性能系数（COP值）远远高于直接燃煤的0.7制热系数和直接用电供暖的1.0左右的制热系数。如果将地源热泵所耗电能还原为煤，与传统的锅炉供暖比较，可直接节约燃煤30%以上。 

　　4 地源热泵技术应用工程实例 　　4.1 工程项目简介 

　　天津市某工程采用地源热泵系统形式，该工程建筑面积78500平方米。共分A、B、C、D、E5个区，地上六层，地下一层，其中A区为4层，B区为3层，C、D、E区均为6层。 

　　该工程总冷负荷为5423kW，总热负荷为4070kW。生活热水负荷为1200kW，生活热水用量225立方米/天。利用地源热泵系统作为空调的冷热源同时提供生活热水。 

　　地下换热器的数量：本工程共布置846个地下换热器； 

　　地下换热器的形式：双U型，竖直埋设，矩形布置，平均间距5m，有效深度120m； 

　　地下换热器的管材：本工程地下换热器的管材选择高密度聚乙烯PE管，竖直埋管承压1.6MPa，水平埋管承压1.0MPa； 

　　该工程于2008年4月投入使用，目前已经历了多个制冷季及采暖季。 

　　4.2 项目测试数据 

　　该工程设计施工初期已预留了数据监测系统，对制冷、供暖季的数据均有日常监测。以下是该工程项目地源热泵系统制冷/供暖季不同时段的检测数据： 

　　4.3 数据分析 

　　在近三个月的制冷运行期间，地耦管热泵每天运行8h左右，热泵启动时地下循环水的起始温度维持在18.5-20.5℃，说明热泵经循环水排放到地下的热量与地耦管管壁周围岩土沿半径方向向外传热能形成动态平衡，从而确保热泵长期稳定运行。 

　　图2为制冷性能系数COPl与循环水进水温度的关系。由图可见，循环水进水温度越低，制冷性能系数越高，近似为线性关系。当循环水进水温度为20℃时，COPl高达3.9；当循环水进水温度升至31℃时，COPl尚可达到3.1。与此相比，夏天当地大气温度高达38℃以上，普通空气源空调的COPl仅为2.5-2.8。故地耦管热泵的制冷节能效果是很明显的。 

　　供热期间，初始几天的循环水起始温度有所下降，但下降幅度不大；进入长期运行后，逐渐趋于稳定状态，温度值在15-16℃之间波动。说明白天热泵通过循环水从沿途中吸取的热量夜间已从地耦管远处得到传递而恢复，并达到动态平衡，从而确保热泵供暖运行的长期稳定性。 

　　图3为供暖性能系数COPn与循环水进水温度的关系。由图3可见，循环水进水温度越高，供暖性能系数越高，近似为线性关系。当循环水进水温度为16.8℃时，COPn高达4.34，循环水进水温度即使降至11.7℃时，COPn也可以达到3.71.故地耦管热泵的供暖节能也是很明显的。 

　　4.4 结论 

　　制冷时，地耦管地源热泵的循环水进水温度越低，其性能系数越高；供暖时，循环水进水温度越高，其性能系数越高。相较而言，供暖的性能系数又高于制冷的性能系数。 

　　由于地下岩土温度比较稳定，它的夏季温度远远低于大气温度，冬季温度远远高于大气温度，因此地耦管地源热泵不论是制冷还是供暖，其性能系数均远高于空气源热泵。这是地耦管地源热泵节能的根本原因。 

　　通过对数据的分析，该工程的系统运行情况基本满足设计要求，目前土壤热不平衡性不明显，由于热不平衡性导致的效率衰减表现不明显，但仍需未来几年对系统进行检测，以确保运行的稳定。