地源热泵空调系统的技术探讨

高玉华 宋时春 李汉宇

摘要：地源热泵是一种利用地下浅层地热资源(也称地能，包括地下水、土壤或地表水等)的既可供热又可制冷的高效节能环保型空调系统。地源热泵通过输入少量的电能，即可实现低温热源向高温热源的转移。本文探讨了地源热泵空调系统的技术。

关键词：地源热泵；空调系统；技术；原理；特点

Abstract: The ground source heat pump is a use of the the shallow underground geothermal resources (also known as both heating energy, including groundwater, soil or surface water) can be cooling energy efficient eco-friendly air conditioning system. Ground source heat pump can be achieved by entering a small amount of electrical energy, low temperature heat transfer to the high-temperature heat source. This paper discusses the technology of ground source heat pump system.Keywords: ground source heat pump; air conditioning system; technology; principle; characteristics

中图分类号：TU831.3+5 文献标识码： A 文章编号：

清洁无污染的地热是一种可利用的、适宜的新能源之一。源于灼热的地球内部的地热能通过向上传递导致地热异常的发生，再通过热储本身的热力和围岩元素置换作用等，便形成了良好的地热资源。地源热泵是一种利用地下浅层地热资源(也称地能，包括地下水、土壤或地表水等)的既可供热又可制冷的高效节能环保型空调系统。地源热泵通过输入少量的电能，即可实现低温热源向高温热源的转移。在冬季，把地能中的热量“取”出来，经热泵机组提高温度后，供给室内用户取暖；在夏季，把室内的热量取出来，释放到地层中去。

一、地源热泵的系统构成

地源热泵供暖空调系统主要由热泵机组、室内末端空调系统以及低能换热系统三部分构成。前两者属于地面系统，与普通的热泵相似；而地能换热则属于地下系统，是地源热泵的关键技术。热泵系统由四通阀、压缩机、冷凝器、节流阀以及蒸发器组成，通过制冷剂的循环作用实现供暖；末端空调系统中则利用分机盘管系统与低温地板采暖系统；地缘热交换系统由地下埋藏的热交换机与管路组成，在冬季供暖应用中，发挥与锅炉同等的作用。

二、地源热泵的系统分类

根据地能换热系统的区别，主要分为以下三类：以土壤为地源的土壤源热泵、以地表水为地源的地表水源热泵系统、以地下水为地源的地下水源热泵系统。在选择具体系统方案时，应首先对当地的水文地质情况进行调查了解，其次对建筑物的土地面积、冷热负荷、建筑高度与规模、当地规划要求以及机房面积等因素进行对比分析，同时要考虑到系统造价问题，以最优成本实现地源热泵供暖空调的效率最大化。

三、地源热泵技术原理

在自然环境中，水从高处往低处流动，热量由高温处向低温处传递，而热泵(制冷机)是通过作功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。热泵工作原理是：由电能驱动压缩机，使工质(如1t22)循环流动反复发生物理相变过程，分别在蒸发器中汽化吸热、在冷凝器中液化放热，使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热(或制冷)功能。

1、在制冷模式时：高温高压的制冷剂气体从压缩机出来后进入制冷剂的冷凝器，向水中排放热量而冷却成高压液体，并使水温升高(此高温水的热量通过埋设在土壤中的管道传给了土壤)。到膨胀阀节流膨胀成低压液体进入蒸发器蒸发成低压蒸汽，同时吸收(蒸发吸热)水(或空气)的热量。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体，如此循环不止。水(或空气)温度被蒸发器降低用来冷却环境。

2、在供热模式时：高温高压的制冷剂气体从压缩机出来后进入制冷剂的冷凝器，向水中排放热量而冷却成高压液体。到膨胀阀节流膨胀成低压液体进入蒸发器蒸发成低压蒸汽，同时吸收(蒸发吸热)水(或空气)的热量将水冷却(此“冷量”通过埋设在土壤中的管道传给了土壤)。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体，如此循环不止。水(或空气)的温度被冷凝器升高用给环境供热。由此可见，热泵与制冷机的工作原理和过程是相同的。热泵与制冷机在名称上的差别只是反映了在应用目的上的不同：如果以得到高温的热量为主要目的，则一般称为热泵；如果目的是从低温热源除去热量，或称得到冷量，则叫做制冷机(空调)。建筑空调系统一般应满足冬季供热和夏季制冷两种要求，传统的空调系统通常需分别设置冷源(制冷机)和热源(锅炉)。建筑空调系统如果在冬季以热泵的方式运行，则可以省去锅炉和锅炉房，而且全年仅采用电力这种清洁能源，彻底解决了大气污染问题。与直接把电能转换为热能的电锅炉相比，采用热泵空调系统供热的电耗仅为前者的1/3—1/4，可以大大节省运行费用。

四、地源热泵空调技术特点

1、使用清洁可再生能源，环保效果好。地源热泵利用的是地表中清洁可再生的太阳能，制热时不需锅炉，无燃料燃烧时产生的污染物；制冷时不需冷却塔，避免了冷却塔运行时的噪声、功耗和水的损耗。与土壤和水源之间只有热量交换，不消耗水资源，不污染地下土质。

2、高效、节能，运行费用低。地下土壤或水体温度冬季比环境温度高，夏季比环境温度低，且始终保持较为稳定的状态。由于这一特点，地源热泵机组的运行能效比或性能系数上升。美国环保署估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以比常规空调节约40%-50%的运行费用。

3、一机多用，服务面广。地源热泵机组可供暖、制冷，还可提供生活热水，一套设备可以替代原来的锅炉加冷水机组二套设备。

4、运行稳定可靠，寿命长。由于土壤或水体的温度较为稳定，无论是寒冬还是酷暑，机组都在较为稳定的工况下运行，保证了机组的高效性，并有利于延长其使用寿命。通常，地下埋管部分的使用寿命可长达50a，热泵机组的寿命可达20a 以上。

5、与空气源热泵相比，地源热泵性能不受空气温度变化的影响，冬季不存在除霜问题，采用地源热泵中央空调的建筑，室内温度稳定，并因运行费用低，设计上可加大新风量，保证室内的舒适度。

6、系统简单，维护费用低。地源热泵中央空调系统组成简单，地下或室外部分几乎不需维护，室内部分的维护只需普通的制冷空调工即可胜任。

7、可实现区域控制，便于物业管理。区域控制最大的优点是，各区域机组可在同一时刻各自独立进行制冷或制热运行，避免能源浪费，充分体现地源热泵中央空调系统的节能性和舒适性。

8、结构紧凑，节省机房面积。不需大型冷冻机房和锅炉房，不需冷却塔，不影响建筑美观。小规格机组形式多样，可直接安装在室内，与室内装修融为一体。

9、对设计与安装技术水平要求高。虽然地源热泵机组本身具有较高的能效比和性能系数，但如果空调系统设计和安装不合理，将不能充分体现其优越性，收不到应有的节能效果。设计上不仅是室外部分的设计需重视，室内部分的设计也不容轻视；安装上以垂直U型管埋管施工为例，如果不做好防止U形管热短路工作，地下换热器的性能将大受影响。

10、初投资较大。主要是指闭环系统，特别是土壤源热泵系统。但对于设计安装良好的工程， 年内即可收回投资。

11、对于土壤源热泵，需要一定的地下埋管面积。但是可利用室外草地、停车场、道路等地方埋管，特别是对于绿化率较大的建筑工程项目，是比较适宜的。

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。

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