暖通工程中的地源热泵技术的应用

路明宇

摘要：地表浅层地热资源可以称之为地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地源热泵是利用这种低温位热能，作为热泵的供暖热源和空调的冷源，既可供热又可空调的系统。本文结合工程案例对暖通空调设计中地源热泵问题进行了研究。

关键词：暖通空调 设计地源热泵 运用

中图分类号：S611文献标识码： A

前言

地源热泵为国家提倡使用的节能环保产品：随着我国能源紧缺与环境问题日益严重，开发浅层地热能资源，采用热泵技术解决供暖、供热和制冷问题的热潮正在我国大规模兴起，近十年来全世界每年以递增20％以上的速度在增长。

一、地源热泵的原理及特点

地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、热泵机组和室内空调末端系统。工作原理就是在地下埋设管道作为换热器，管道与热泵机组连接形成闭式环路，管道中有液体流动通过循环将热泵机组的凝结热通过管道散入地下（供冷工况），或从大地吸取热量供给热泵机组向建筑物供热（供热工况）。其中水源热泵机主要有两种形式：水—水式或水—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，水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物空调末端换热介质可以是水或空气，系统的关键是大地换热器的设计和施工。地源热泵的特点有：

1、属于可再生能源利用技术

地表浅层好象一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能，比人类每年利用能量的500倍还多。这种近乎无限、不受地域、资源限制的低焓热能，是人类可以利用的清洁可再生能源。并且地能不象太阳能受气候的影响，也不象深层地热受资源和地质结构的限制。另外地源热泵冬季供暖时，同时对地能蓄存冷量，以备夏用，夏季空调时，又给地能蓄存热量，以备冬用。因此说地源热泵是可再生能源利用技术。

2、高效节能和低的运行费用

由于地源温度全年相对稳定，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%，因此要节能和节省运行费用40%左右。

3、环境效益显著

既不破坏地下水资源，又无任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。

4、一机两用

地源热泵可供暖供冷，全年冷热供应，节省投资和占地。地源热泵这种可再生能源利用技术，高效节能且无任何污染，顺应了国际能源发展大趋势，也顺应了我国的能源与环保政策，是值得研究与大力发展的可再生能源利用方式。

二、地源热泵空调系统

1、地源分类

地源按照室外换热方式不同可分为三类：

（1）土壤埋盘管系统；

（2）地下水系统；

（3）地表水系统；

根据循环水是否为密闭系统，地源又可分为闭环和开环系统。闭环系统如埋盘管方式（垂直埋管或水平埋管），地表水安置换热器方式。开环系统如抽取地下水或地表水方式。此外，还有一种“直接膨胀式”，它不象上述系统那样采用中间介质水来传递热量，而是直接将热泵的一个换热器（蒸发器）埋入地下进行换热。

2、地源热泵应用方式

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

（1）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（又称水环路热泵系统）：用中央水泵，采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源，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。南方地区，冷负荷大，热负荷低，夏季适合联合使用地源和冷却塔，冬季只使用地源；北方地区，热负荷大，冷负荷低，冬季适合联合使用地源和锅炉，夏季只使用地源。这样可减少地源的容量和尺寸，节省投资。

（5）水环路热泵空调系统：水环路热泵空调系统，它由许多台水源热泵空调机组成。这些机组由一个闭式的循环水管路连在一起，该水管路既作空调工况下的冷源，又作供暖工况下热泵热源。水环路的冷热源可以是地源，或锅炉、冷却塔联合方式。夏季运行：全部或大多数机组为供冷，热量水环路排至室外的冷源，如地源或冷却塔。春季/秋季运行：对有内区与周边区的建筑物，会出现内区需要供冷而周边区需要供热，内区的热量就可被周边区所利用，即内区空调的排热与周边区热泵供热所需热量接近平衡时，室外的冷热源可以停运。这种制冷供热同时进行，能量在建筑物内部转移，运行费用最少，节能效果明显。冬季运行：全部或大多数机组为供热，供热源把热量补充到水环路。

三、地源热泵系统在别墅设计中的经济性比较：

1、地源热泵的经济性

地源热泵是一种高效的节能、环保技术，但地源热泵是否具有经济竞争力将是地源热泵能否实际应用的一个关键问题。由于涉及的因素多，不同地区，不同能源结构及价格等都将直接影响地源热泵的经济性，这里以一例来说明地源热泵与传统供暖空调系统的经济性进行比较。

以某别墅区为例作计算，共有别墅50套，总建筑面积1.8万m2，按热负荷指标55W/m2和冷负荷指标80W/m2来估算每套别墅及总的热（冷）负荷。

对下述三种方案进行投资和运行费用的比较，计算结果见表1：

（1）每套别墅单独安装自己的供暖空调系统，如冬天采用快装式燃气锅炉，

夏天采用分体空调， 分体空调的制冷系数按2.8计算。

（2）集中式供暖空调方式，如冬天采用燃气锅炉，夏天采用集中空调， 制冷系数按3.4计算。

（3）地源热泵采用水环路热泵空调系统，水源热泵的制热、制冷系数按4计算。由此可比较各方案的单位面积耗气、电费用，方案1的供暖空调成本比方案3分别高出79%和43%方案2的供暖空调成本比方案3分别高出109%和57%。

（4）地源热泵

地源热泵方案3的年耗气、电费用最小，比方案2少27.77, 万元，虽然方案3总投资比方案2高出42万元，但在2年之内即可将此差额收回。应注意的是采用地源热泵方案时，热泵主机的购买是随房屋购买情况分期分批购买的，如一开始购买10套，主机购买费用就为45万元，而不是225万元，这样初投资只有390万元。

结束语

开源节流，尤其是开发各种可再生新能源将是实现我国经济可持续性发展的关键。我国地域宽广，蕴藏着丰富的地表浅层地能资源，因地制宜地采用不同形式的地源热泵技术可以有效地提高低温地热资源，同时克服传统热泵空调技术的局限与不足，是非常有意义和具有实用价值的，在节约能源、防治环境污染和城市现代化方面有着较大的意义。

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