地源热泵技术在暖通空调节能中的应用

张井刚 石盼盼

摘 要：随着人们环保意识和节能意识，在空调领域的清洁和可再生能源正日益成为一个热门研究课题，地源热泵作为一种新型可再生能源，可以满足节能的要求，具有良好的清洁性和稳定性，实现节能减排的效果。本文论述了地源热泵技术在暖通空调节能中的应用，具有一定的参考和借鉴性意义。

关键词：地源热泵；暖通空调；节能；应用

目前，随着我国的能源消耗量越来越大，地源热泵作为一种能源消耗量极低的一项技术，在很大程度上不仅可以满足群众不同冷暖的需求，而且还具有环保节能的优点，因此，很受广大的群众信赖。所谓地源热泵，它是一种高新的技术，主要是以地能源土壤、地下水及地表水等方式来作为热泵夏季制冷的冷却源和冬季取暖供热的低温热源的系统，同时也是实现采暖、制冷及生活用水的一种系统。与传统的采暖空调方式相比，地源热泵具有环保节能、冷暖热联供、操控方便等优势，对解决公共设施建设中的冷暖热问题具有重要作用，因此，该技术在我国将会有一个不错的发展前景。

1 地源热泵系统概述

1）地源热泵的原理。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，是人类一年使用能量的500多倍。它不受地域资源等限制，量大面广无处不在，这种存储在地球表面浅层几乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁能源的一种形式。地源热泵可以充分利用地能，是一项可持续发展技术。地源热泵系统的核心装置是一个热泵机组，其理论基础是逆卡诺循环。地源热泵系统制冷时，可将浅层地下水或地表水作为散热体；供热时则将浅层地下水或地表水作为低温热源，通过消耗部分电能从低温热源中吸取热量，其供热量为消耗的电能与从低温热源中吸取的热量之和。

2）地源热泵系统的组成。通常来讲，地源热泵系统以满足用户以下三个要求： 夏季制冷、冬季供暖及全年生活热水，一个系统可以取代当前的空调和两种锅炉设备。

地源热泵系统主要包括热泵系统、室内末端系统、室外管网系统以及控制系统。对于土壤源热泵，各个系统之间的换热介质主要有土和水两种。水型地源热泵技术出现比较早，20世纪60-70年代就已经在欧洲地区得到广泛应用，它是利用浅层地下水中的热量作为低位热源，这种地源热泵系统一般用于地板辐射供暖；从20世80年代起，一些地下水比较缺乏的地区渐渐研发出了一种利用土壤中热量的方法，这种地源热泵被称为土壤源热泵，其室内系统一般采用风机系统供应热风或者冷风。

2 地源热泵系统的性能特点

1）地源热泵系统运行费用低。地源热泵空调系统的高效节能特点，决定了它的低运行费用。其维修量极少，使用寿命和建筑物同期，折旧费和维修费也都大大低于传统空调。由于自动化程度高，无需专业人员操控。一般来说，地源热泵空调系统的供暖和制冷费用只相当于普通空调系统供暖和制冷费用的30―70%。

2）地源热泵系统节能、高效。地温一年四季基本恒定在16℃左右，略高于该地区平均温度1到2度，使得热泵无论在制冷或制热工况中均处于高效率点。地源热泵空调系统在提供100单位能量的时候，70%的能量来源于土壤，30%的能量来自电力，用于将土壤中的热量“搬运”至室内。与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70―90%的燃料内能转换为热量供用户使用，而地源热泵空调系统的转换效率最高可达4.7，因此它要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量，其运行费用仅为普通中央空调的50―60%。

3）绿色、环保、无污染。地源热泵空调系统在冬季供暖时，不需要锅炉，无燃烧产物排放，可大幅度降低温室气体的排放，既保护了环境，又可遵守《全球气候公约》。在夏季制冷时也是将热量转移到地下，没有任何气体排放到大气中，如果得到广泛应用将可以大大降低温室效应，减缓全球变暖的进程。

4）节省建筑空间、便于运行管理。地源热泵没有冷却塔和其它室外设备，省去了锅炉房、冷却塔及附属的煤场、渣场所占用的宝贵面积，节省了空间和地皮，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。热泵机组质量可靠，没有大型的集中机组，无需专人值守，大大减少维修、维护费用，可以实现机组独立计费，分户计量，方便业主对整个系统的管理。

3 地源热泵技术在暖通空调节能中的运用

3.1 地源热泵空调系统的分类

以当前地源热泵在空调应用系统中的交换机形式来看，可主要分为以下几种形式：

1）土壤的地源热泵。在土壤热源的交换机中，含有一个土壤耦合热交换器。根据不同的埋管方式，可将土壤热交换器划分为垂直埋管、水平埋管以及螺旋埋管三种类型。一般情况下。水平埋管的深度为1.2-3.2m，多为多层串或者单层串，这种施工方式较为便捷、造价低廉，但是换热效果不佳，极易受到地面温度的影响，运行稳定性较差；垂直埋管的深度约为10-100m，可采取套管或者U型垂直埋管方式。这种埋管方式的占地面积较小，全年土壤温度稳定，因此系统运行较为稳定。螺旋埋管集合水平埋管与垂直埋管的优势，节约占地面积与安装费用，但是系统的结构较为复杂，给管道施工带来一定难度，同时增大系统的运行阻力。

2）地表水的地源热泵。基于地表水的地源热泵系统，包括各种潜在水面表层下部的串联式地表水交换器，以此替代地下水的热交换器地表水源热泵可分为开放式系统与封闭式系统两种形式，由于地下水的水温为恒定状态，因此机组运行较为稳定，由于地表水的水温容易受到水的深度以及环境温度等因素影响，因此热泵机组的运行不稳定。另外，由于地表水的地源热泵换热器可能布置在公共水域中，容易遭到破坏，增大维护成本。

3）地下水的地源热泵。地下水地源热泵可分为开放式系统与封闭式系统两种。一方面，开放式地下水热源泵系统，主要抽出地下水并供给到室外的侧冷凝器，吸收热量后回灌到地下；开放式系统的换热效果良好，但是应该注意管路与热泵系统容易受到地下水的腐蚀或堵塞；另一方面，封闭式地下水热源热泵系统，利用板式换热器将热泵设备与地下水分离，以此规避了开放式系统的腐蚀及堵塞问题，但是由于板式换热器需要实行二次换热，因此换热效果并不理想。

3.2 地源热泵空调系统的机组设计

当前，地源热泵应用的形式较为广泛，尤其以蒸汽压缩式热泵的商用范围最为广泛。其主要由若干室内机组及一个室外机组构成，在该系统中，可以对每个空调进行独立调节，满足不同的空调温度要求，节能效果良好。

因此，优化机组设计，对整个系统的运行非常重要。在传统的空调系统设计中，主要为经验主义加实验办法，通过设计简单、易用的实验办法，减少对理论知识、实验条件等依赖性。但是在实验设计中，难以避免稳定性低、可靠性差等问题，因此大多应用于产品初级开发阶段。地源热泵在空调系统中的应用，表征方案的独立变量以设计变量为主，最佳的优化办法就是研究确定变量的具体办法。有关评价方案的优劣，主要由設计变量来决定，那么该指标就是设计变量的函数。变频式地源热泵空调系统，主要包括蒸发器、冷凝器、变频压缩机、室内机、电子膨胀阀、水泵水管路系统、制冷剂管理等。结合制冷系统的热力学理论，利用相互关联、参数动态分布等办法，构建系统内的运行参数动态方程及数学模型，构成系统运行参数的方程组，并实行动态模式。

4 结语

经过多年的开发研究，地源热泵技术已经有了较为成熟的技术基础，但地源热泵空调技术的应用和发展仍相对缓慢。随着人们生活水平的提高，能源消耗的速度越来越快，需要充分了解暖通空调地源热泵节能技术的特点，从各个方面出发，满足规定要求和标准，在节约能源的基础上，实现理想的经济效益和社会效益，提高人们的生活质量。

参考文献

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[2]张嵩.浅析暖通空调新技术地源热泵[J].山西建筑，2010（28）.

[3]张琦.地源热泵系统在暖通空调中的应用[J].中华建设，2013（04）.