地源热泵系统简述

 　【摘要】地源热泵的概念；地源热泵的工作原理；地源热泵的发展趋势。 

　　【关键词】节能；环保；热泵技术　　 

　　解决环境污染和能源危机问题是当今全人类的共同课题。在中国能源消耗中，建筑耗能的比例相当高。中国传统的空调系统，北方一般以燃煤锅炉解决冬季取暖问题，南方以自来水或环境空气为冷源的制冷机组解决夏季制冷问题。随着可持续发展和人们环保意识的提高，环保和节能已成为建筑空调发展的首要研究问题。世界和中国能源利用的结构都正在改变。从直接燃煤、燃油取暖过渡到使用天然气及电等清洁能源。但是天然气和石油、煤都是不可再生能源。 电取暖虽然清洁，但能效比不高。从可持续发展的角度看，利用可再生能源及提高能源利用效率是降低建筑能耗的根本途径。地源热泵系统正是满足这些要求的新型的绿色空调系统。 

　　1 地源热泵的概念及工作原理 

　　地源热泵是利用地球表面浅层水源（如地下水、河流和湖泊）和土壤源中吸收的太阳能和地热能，通过输入少量的高品位能源（电能），即可实现能量从低温热源向高温热源的转移。在冬季，把土壤中的热量“取”出来，提高温度后供给室内用于采暖；在夏季，把室内的热量“取”出来释放到土壤中去，并且常年能保证地下温度的均衡。根据利用地热源的种类不同，地源热泵可分为土壤源热泵和水源热泵两种。 

　　1.1 土壤源热泵 

　　土壤源热泵系统是利用地下换热盘管与土壤进行热交换，把大地作为热泵机组的低温热源和排热场所。它由地下盘管和常规水源热泵机组组成，夏季供冷时，土壤作为排热场所，把室内冷负荷以及压缩机耗能通过地下换热盘管排入土壤中或直接用于热水加热。冬季供热时，土壤作为热泵机组的低温热源，通过地下盘管获取土壤中热量，供给室内。用土壤作为热泵系统的低温热源，与空气源相比，有全年土壤温度波动小且数值相对稳定等优点。 

　　根据地下热交换器的布置形式，主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三类。 

　　垂直埋管换热器通常采用的是U型方式，按其埋管深度可分为浅层（<30m）,中层（30～100m）和深层（>100m）三种。埋管深，地下岩土温度比较稳定，钻孔占地面积较少，但相应会带来钻孔、钻孔设备的经费和高承压埋管的造价提高。总的来说，垂直埋管换热器热泵系统优势在于：（1）占地面积小；（2）土壤的温度和热特性变化小；（3）需要的管材最少，泵耗能低；（4）能效比很高。而劣势主要在于：由于相应的施工设备和施工人员的缺乏，造价偏高。 

　　水平埋管换热器有单管和多管两种形式。其中单管水平换热器占地面积最大，虽然多管水平埋管换热器占地面积有所减少，但管长应相应增加来补偿相邻管间的热干扰。水平埋管换热器热泵系统由于施工设备广泛使用而且施工人员易找，又加上许多家庭有足够大的施工场地，因此造价就可以减下来。除需要较大场地外，水平埋管换热器系统的劣势还在于：运行性能上不稳定（由于浅层大地的温度和热特性随着季节、降雨以及埋深而变化）；泵耗能较高；系统效率降低。 

　　蛇行埋管换热器比较适用于场地有限又较经济的情况下。虽然挖掘量只有单管水平埋管换热器20%～30%,但是用管量会明显增加。这种方式优缺点类似于水平埋管换热器，所以有的文献将其归入水平埋管换热器。 

　　根据有关研究，地表以下3-4m，土壤的温度已相当稳定，如北京地区年平均温度为13-15℃，而且热容量大，所以土壤是很好的热源和排热场所。我国南方地区目前一般用空气源热泵系统，由于冬季供暖时受到冬季室外空气温度和湿度的制约，在最冷月份往往无法满足建筑物内舒适空调的要求，而且冬季蒸发盘管容易结霜，降低机组传热效率。为解决冬季供热量不足和结霜问题，需加辅助热源，用土壤作为热泵系统的低温热源，与空气源相比，主要有以下几方面的优点： 

　　1.1.1 全年土壤温度波动小且数值相对稳定。冬季土壤温度高于对应气候下的地面空气温度，我国长江以南的一些主要城市，3.2m深处土壤历年气温最低两个月的平均温度为8-22℃，所以冬季供暖系数较高，COP值一般为3.3-4； 

　　1.1.2 埋地热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的能耗； 

　　1.1.3 土壤具有较好的蓄热性能，冬季从土壤中取出的热量可在夏季得到补偿； 

　　1.1.4 在室外温度处于极端状态时，用户对能源需求量处于高峰期，由于土壤对地面空气温度波动有衰减和延迟作用，可以提供较低的冷凝温度和较高的蒸发温度，节能效果非常明显； 

　　1.1.5 土壤源热泵系统的换热器设在地下，换热效率高且不占用地面用地，没有空气源热泵的风扇耗能及产生的大量噪音，转动部件相对较少，运行可靠。 

　　1.2 水源热泵 

　　在土壤源热泵得到发展以前，欧美国家最常用的地源热泵系统是地下水热泵系统。目前在民用中已经很少使用，主要应用在商业建筑中。最常用的系统形式是采用水—水式板式换热器，一侧走地下水，一侧走热泵机组冷却水。早期的地下水系统采用的是单井系统，即将地下水经过板式换热器后直接排放。这样做，一则浪费地下水资源，二则容易造成地层塌陷，引起地质灾害。于是产生了双井系统，一个井抽水，一个井回灌。地下水热泵系统的优势是造价要比土壤源热泵系统低，另外水井很紧凑，不占什么场地，技术也相对比较成熟，水井承包商也容易找。其劣势就在于： 

　　1.2.1 有些地方法规禁止抽取或回灌地下水； 

　　1.2.2 可供的地下水有限； 

　　1.2.3 如水质不好或打井不合格要注意水处理； 

　　1.2.4 如泵选择过大、控制不良或水井与建筑偏远，泵耗能就会过大。 

　　2 土壤源热泵较水源热泵的优劣 

　　2.1 土壤源热泵系统因其与大地进行换热，所以不受地域限制，任何地质结构包括土壤、岩石、砾石都可提取能量，不受地域限制，适应性强；水源热泵受地下水量的影响，如果当地水资源匮乏或不足，则就无法应用水源热泵系统。 

　　2.2 土壤源热泵只是采集地下能源，打孔之后立即回填，对地质结构不会造成影响，所以政府不与干预，不用报批任何手续，施工方便；水源热泵是开式系统，对地下微生物有轻微影响，长期提取地下水若不能完全回灌会造成地层下陷等，所以需要到水利主管部门备案。 

　　2.3 土壤源热泵系统的地下换热器材质为高强度聚乙烯树脂管材（PE管）此材质可保证50年不腐烂、不变质，使用年限长。水源热泵水源井需要定期维护、清洗，使用寿命较短。 

　　2.4 土壤源热泵系统的能量采集系统为密闭系统，水在密闭系统中进行换热，保证了机组的清洁性，也保证了机组运行的稳定性； 

　　2.5 土壤源热泵系统的能量采集循环系统为平面循环，循环泵运行能量只为潜水泵循环系统运行能量的20%，运行费用低。 

　　2.6 土壤源热泵系统的能量采集循环系统只是将管网铺埋于地下，之后可在其上填土进行绿化或建停车场等它用，能够有效利用空间。但是占用场地较大。 

　　2.7 在同等条件下土壤源热泵的初投资费用比水源热泵的初投资费用高。 

　　3 地源热泵的发展趋势 

　　地源热泵就是一种在技术上和经济上都具有较大优势的解决供热和空调的替代方式。在美国地源热泵空调系统占整个空调系统的40%，是美国政府极力推广的节能、环保技术。1998年美国能源部颁布法规，要求在全国联邦政府机构的建筑中推广应用地埋管土壤换热器地源热泵空调系统。为了表示支持这种技术，美国总统布什在他的得克萨斯州的别墅中也安装了这种地源热泵空调系统。现在，在中北欧的瑞士、瑞典、奥地利、丹麦等国家，地源热泵（土壤换热器）技术利用处于领先地位，地埋管土壤源热泵得到广泛的应用。 

　　参考文献： 

　　[1]殷平.地源热泵在中国[C].见：现代空调(3) .北京：中国建筑工业出版社，2001：1-8 . 

　　[2]徐伟等译，地源热泵工程技术指南[M] .北京：中国建筑工业出版社，2001 . 

　　[3]刁乃仁，方肇洪.地源热泵--建筑节能新技术[J] .建筑热能通风空调，2004：18-23 .