住宅中地源热泵空调系统的应用

文/屈高阳　 三门峡职业技术学院　 河南三峡门　472000

住宅中地源热泵空调系统的应用

文/屈高阳 三门峡职业技术学院 河南三峡门472000

随着生活水平的提高，人们对生活环境，生活质量的要求越来越高，地热泵空调系统在建筑界的使用随之而生，并有着高效节能、稳定可靠，维护费用低，无环境污染等多方面优点，在众多使用人群中，住宅用户占市场比例中的一大部分，本文从住宅的角度出发，研究地源热泵空调系统在住宅中的应用原理，优缺点以及未来的发展前景。

住宅；地源热泵空调系统原理；优缺点；发展前景

一、地源热泵空调系统的工作机制

（一）地热源泵空调系统的含义与工作原理

热泵中包括一种新型能源利用技术，即地源热泵空调系统，其工作能量是利用浅层地能实现制冷供热，是一种热泵式的设备，它可以实现冷量和热量之间的转换是依赖卡诺循环原理和逆卡诺循环原理。地源热泵通俗的说是将土壤中的冷量和热量转移，主要目的在于实现空调制冷和采暖。地热源泵一个年度还能形成一个冷热循环，土壤内蕴含巨大的储冷储热能力，夏季建筑物所使用的冷量来源于地下，冬季地源将热量由地下转入建筑物供人利用，如此循环往复。

（二）地源热泵空调系统在住宅中的应用机制

1.地源热泵空调系统的制冷模式在居住环境中的应用

地源热泵机组的内部装有压缩机装置，它可以通过对冷媒作用使机组处于制冷状态，促进气体与液体之间的转化与循环，风机盘管循环所产生的热量被冷媒吸收，加快蒸发器内冷媒的蒸发，冷媒循环工作和冷凝器当中的冷媒凝结一同作用，随后冷媒所产生的热量由水路循环带向地水、地下水和土壤当中等。经过风机盘管将室内热量向地下水中传递的过程中，房间供冷温度以13℃最适宜。

2.地源热泵供暖模式在住宅环境下的应用

当地源热泵机组处于供暖状态时，调整换向阀可改变冷媒流动方向，此时压缩机对冷媒做功。来自于地下的水路循环可以吸收土壤里、地表水、地下水中部分热量，利用冷凝器内冷媒蒸发的工作原理，将水路循环的产热融入冷媒中，冷媒循环工作时，蒸发器内的冷媒冷凝就可对风机盘管循环的产热进行吸收。所以，地下热量被永不停歇的输入室内，室温热风超过35℃，为房间提供暖源。

二、住宅中地源热泵空调系统工作原理的利弊

（一）住宅中地源热泵空调系统工作原理的益处

1.可再生资源

地源热泵的工作机制是能够进行能量转换的制冷供暖的空调系统，它利用地球所储的太阳能资源为冷热源，充分利用可再生清洁能源技术。地表土壤和水体形成一个天然巨大的太阳能集热器，它可以收集来自于太阳能辐射量能量的500倍以上，地源热泵还是一个巨大的动态平衡系统，地表土壤和水体共同维持能量接受与散发的平衡，其所储存的巨大的太阳能与地能是地源热泵技术的能源保障。

2.高效节能性

地源热泵机组的工作温度高于环境空气温度，相比而言，地源热泵机组在冬季可利用土壤或水体的温度范围为12-22℃，地源-热泵循环系统中能效随着蒸发温度的提高而上升；机组在夏季可利用土壤或水体温度的范围为18-32℃，空气温度相比低于环境空气温度，制冷系统的冷凝温度也逐步降低，风冷式与冷却塔式制冷效果与效率明显低于地源热泵式，因此也节省了30%-40%的费用。投入1KW的电能可获得四倍以上的热能或冷量。

3.环境和经济效益提高

地源热泵机组运行的过程中，具有耗水少、不污染水、不需要锅炉、冷却塔、还可以节约堆放燃料废物的场地，大大提高了环保效益。另一方面，土壤源地源热泵系统遭到废弃时，地下的热交换管道难以取出处理，因此造成打井区域的地下污染，地源热泵机组在电力消耗方面比空气源热泵少40%以上，比电供暖少70%以上，其制热系统将燃气锅炉效率提升50%左右，高出燃油炉效率的75%。

4.一机多用，变通力强

地源热泵系统在生产生活中可提供制冷供暖和生活热水，一机多种功能，整套系统是锅炉和空调两个系统功能的地源热泵系统对要求同时要求具有供热和供冷功能的建筑物颇具优势，节省能源的同时也减少了设备的初投资。地源热泵系统可适应于宾馆，居住小区，公寓，厂房，商场，办公楼等建筑地区，小型地源热泵系统也可为别墅住宅提供制冷，供热方便。

5.自动运行

地源热泵系统的工况稳定，因此其设计较为简单划一；机组运行平稳，售后维护费用少；可操控性强，寿命长。

（二）住宅中地源热泵空调系统的工作原理及弊端

事物具有两面性，地源热泵系统受到来自不同地区以及不同用户，不同国家的能源政策和燃料价格变动等因素的影响，在实际工作中也表现出部分缺点；一次性投资及运营费根据用户不同而有所差异；常年开采地下水，地源热泵系统会受到地下水水资源的制约，地源热泵系统使用过的地下水可以二次回收灌溉，对水体无害。

地源热泵技术在实际应用中面临的问题是“土壤热不平衡”。南方地区一年四季多为供冷，热量多注入地下；北方地区冬季供暖需求增大，热量多来源于土壤，长此以往，土壤温度逐渐失衡，生态系统遭到破坏。夏热冬暖地区对夏季需供冷量大于冬季供热量，其他热量经由冷却塔冷却，少部分进入余热回收系统用于生活供水，这对缓解土壤热不平衡问题大有裨益。

三、与其他制冷供热系统相比，地源热泵空调系统在住宅中应用的优点

地源热泵机组在冬季可以利用土壤或者水体温度范围为12-22℃，其温度较大于环境空气温度，热泵循环的能效随蒸发温度的提升而逐步增加；热泵机组在夏季可利用土壤或者水体温度范围为18-32℃，比环境空气温度稍低，机组制冷系统的冷凝温度的降低使其制冷优势大于风冷式和冷却塔式，节省了30%-40%的供热制冷经费，1kw的电能至少可得到4-5kw以上的供暖制冷能量。地源热泵系统相比较传统锅炉（电与燃料）的供热系统而言，传统锅炉的供热系统可转化的热能仅为全部电能的90%或燃料内能的70%-90%，投入用户供暖和制冷当中，这节省了电锅炉加热三分之二的电能以及二分之一左右的燃料锅炉能量，地源热泵系统在全年的温度大约恒定在10-25℃，制冷与制热系数高达3.5-4.4，高出传统空气源热泵系统40%，运行经费也仅为普通中央空调的50%-60%。所以，科技发展的几年来，地源热泵空调系统在北美、中欧、北欧等多个国家取得显著成效，而中国地源热泵市场逐渐复苏，预计在不远的将来，地源热泵技术将成为最有效最普遍的供暖制冷空调技术。

（一）地源热泵系统与其他加热制冷方式在能源消耗方面的比较:

加热方式能源消耗百分比

地源热泵 30%

柴油锅炉 60%

液化气 70%

电加热 100%

通过比较可知，地源热泵加热系统是最节能减耗的。

（二）地源热泵中央空调与传统中央空调的优势区别

1.环境保护因素

根据土壤源热泵系统的运行原理可知，土壤源热泵系统属于天然绿色环保空调，无论是在冬季还是夏季运行，其对建筑外大气环境的不良影响少之又少。普通中央空调系统所产生的废热或水蒸气直接排向大气，对环境造成严重污染。土壤源热泵系统是以地球表面浅层地热资源为冷热源，这种利用清洁和可再生能源的方式是可持续发展的必然要求。

2.运行效率

普通中央空调系统无论是在风冷热泵机组还是在冷却塔冷水机组的设置上，都受到来自外界天气条件的制约，主机的供冷量、供热量不足，难以满足空调区的供冷或供热需求，对夏热冬冷地区的作用效果下降，运行效率降低。与之不同的是，地源热泵机组与外界换热的媒介是大地，大地温度相对稳定，受空气影响小，因此，地源热泵系统的运行效率高于普通中央空调系统。

3.经济因素

地源热泵系统集合了采暖、空调制冷和提供生活热水的功能，整套系统代替了传统了供热锅炉和制冷空调以及生活用水加热等系统，降低成本投入的同时，经济又环保。

4.运行成本

地源热泵系统的运行特点是有目共睹的:地源热泵消耗1kw的能量，用户在使用过程中可获得4kw的冷量或者热量，制冷制热系数达到4以上，高出传统空气源热泵系统能源利用率的40%以上，其花费也仅为传统空调系统50%-60%。在相同制冷制热效率下，地源热泵主机的输入功率相对较小，这对全年时间需要使用空调的场所，大大的降低了其运营成本。锅炉的能源利用率一般为70%-90%，但是地源热泵系统的节能总量达到了锅炉加热的三分之二，也是燃料锅炉的一半左右。

四、住宅中地源热泵空调系统的前景

“十二五”期间，我国通过地源热泵系统实现供暖制冷的总面积高达3.5亿平方米，全部地热能开发利用的市场规模将超过700亿元。国家能源局等4部委对快速促进地热能的开发与发展提出了指导意见（2013）48号至2015年，近年来，我国地热能资源分布明确，因此建立完整的国家地热能资源数据和信息服务体系迫在眉睫。现今我国地热供暖面积普及，已超过5亿平方米，地热的发电装机容量也高达10万千瓦，是2000万吨标准煤的使用量，该系统是融合地热能资源评价，开发与利用技术，产业服务等为一体的体系。至2020年以后，地热能资源的利用量等于5000万吨标准煤，地热能产业开发技术和体系趋于完整。

［1］哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学［M］.北京：高等教育出版社，2015.

［2］陆建瓴，地源热泵中央空调节能控制的系统研究［J］.民营科技.2015（09）:203-204.

［3］张臣，地源热泵技术在现代特殊建筑领域中的科学应用［J］.科技望.2015（27）:110-111.