地源熱泵空調系統(tǒng)的技術探討

邊惠葵

（中國市政工程西南設計研究總院，四川 成都 610000）

由于地源熱泵適用范圍廣，運行費用低，節(jié)能和環(huán)保效益顯著已得到廣泛的應用，采用地源熱泵技術可以有效地提高一次能源利用率，減少溫室效應氣體C02和其它燃燒產生的污染物的排放，是一種可持續(xù)發(fā)展的建筑節(jié)能新技術。

1、熱泵空調系統(tǒng)的原理及特點

1.1．熱泵原理

在自然環(huán)境中，水從高處往低處流動，熱量由高溫處向低溫處傳遞，而熱泵(制冷機)是通過作功使熱量從溫度低的介質流向溫度高的介質的裝置。熱泵工作原理是：由電能驅動壓縮機，使工質(如1t22)循環(huán)流動反復發(fā)生物理相變過程，分別在蒸發(fā)器中汽化吸熱、在冷凝器中液化放熱，使熱量不斷得到交換傳遞，并通過閥門切換使機組實現(xiàn)制熱 (或制冷)功能。

①在制冷模式時：高溫高壓的制冷劑氣體從壓縮機出來后進入制冷劑的冷凝器，向水中排放熱量而冷卻成高壓液體，并使水溫升高 (此高溫水的熱量通過埋設在土壤中的管道傳給了土壤)。到膨脹閥節(jié)流膨脹成低壓液體進入蒸發(fā)器蒸發(fā)成低壓蒸汽，同時吸收(蒸發(fā)吸熱)水(或空氣)的熱量。低壓制冷劑蒸汽又進入壓縮機壓縮成高壓氣體，如此循環(huán)不止。水(或空氣)溫度被蒸發(fā)器降低用來冷卻環(huán)境。

②在供熱模式時：高溫高壓的制冷劑氣體從壓縮機出來后進入制冷劑的冷凝器，向水中排放熱量而冷卻成高壓液體。到膨脹閥節(jié)流膨脹成低壓液體進入蒸發(fā)器蒸發(fā)成低壓蒸汽，同時吸收(蒸發(fā)吸熱)水(或空氣)的熱量將水冷卻(此“冷量”通過埋設在土壤中的管道傳給了土壤)。低壓制冷劑蒸汽又進入壓縮機壓縮成高壓氣體，如此循環(huán)不止。水(或空氣)的溫度被冷凝器升高用給環(huán)境供熱。

由此可見，熱泵與制冷機的工作原理和過程是相同的。熱泵與制冷機在名稱上的差別只是反映了在應用目的上的不同：如果以得到高溫的熱量為主要目的，則一般稱為熱泵；如果目的是從低溫熱源除去熱量，或稱得到冷量，則叫做制冷機(空調)。建筑空調系統(tǒng)一般應滿足冬季供熱和夏季制冷兩種要求，傳統(tǒng)的空調系統(tǒng)通常需分別設置冷源 (制冷機)和熱源(鍋爐)。建筑空調系統(tǒng)如果在冬季以熱泵的方式運行，則可以省去鍋爐和鍋爐房，而且全年僅采用電力這種清潔能源，徹底解決了大氣污染問題。與直接把電能轉換為熱能的電鍋爐相比，采用熱泵空調系統(tǒng)供熱的電耗僅為前者的1/3—1/4，可以大大節(jié)省運行費用。

1.2．熱泵的主要優(yōu)點

采用熱泵為建筑物供熱可以大大降低一次能源的消耗。通常，我們通過直接燃燒礦物燃料(煤、石油、天然氣)產生熱量，并通過若干個傳熱環(huán)節(jié)最終為建筑供熱。在鍋爐和供熱管線沒有熱損失的理想情況下，由于傳熱溫差，一次能源利用率(即為建筑物供熱的熱量與燃料發(fā)熱量之比)不可能超過100%。如果先利用燃燒燃料產生的高溫熱能發(fā)電，然后利用電能驅動熱泵從周圍環(huán)境中(土壤、地下水、空氣)吸收低品位的熱能，適當提高溫度再向建筑供熱，就可以充分利用燃料中的高品位能量轉化成的電能，大大降低用于供熱的一次能源消耗。地源熱泵的性能系數(shù) (即COP值)通常大于4，即地源熱泵每輸入lkW的電能，能輸出4kW的冷熱能量，扣除過程損耗因素，性能系數(shù)仍然在3.5以上，從而高效利用了土壤或地下水這種可再生的清潔能源。而直接燃煤制熱系數(shù)為0.7，直接用電供暖制熱系數(shù)為1.0。從夏季制冷上來說，其性能系數(shù)比普通家用空調效率高一倍以上，比大型中央空調高20%以上，運行費用每年每平方米僅為25—33元，比常規(guī)中央空調系統(tǒng)低40%左右。地源熱泵中央空調系統(tǒng)沒有冷卻塔，不向空中排放熱量，不消耗冷卻水，因此沒有熱島效應，避免了冷卻塔的噪聲。地源熱泵中央空調系統(tǒng)無鍋爐等燃燒設備，不可能產生二氧化碳、一氧化碳之類的廢氣，也不存在丙烷氣體，因而不會有發(fā)生爆炸的危險，使用安全。由于土壤深處溫度非常恒定，主機吸熱或放熱不受外界氣候影響，運行工況非常穩(wěn)定，不存在空氣源熱泵供熱不足，甚至不能制熱的問題。整個系統(tǒng)的維修量維護費用也較鍋爐—制冷機系統(tǒng)大大減少，正常情況下自動運行，不需要有人值班。地源熱泵系統(tǒng)不消耗水資源，省去了鍋爐房、煤場、儲油房、冷卻塔等設施，節(jié)省了建筑空間，不產生任何廢水、廢氣、廢渣，不對環(huán)境產生任何污染，因此節(jié)省了建筑空間。由此可見具有高效節(jié)能環(huán)保安全的優(yōu)點。

2、地源熱泵空調系統(tǒng)組成及型式

2.1．系統(tǒng)組成

地源熱泵空調系統(tǒng)主要包括三個回路：用戶回路、制冷劑回路和地下熱交換器回路。地源溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，整個系統(tǒng)的維護費用也較鍋爐一制冷機系統(tǒng)大大減少，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。

①地熱換熱器環(huán)路

由高強度塑料管組成的在地下循環(huán)的封閉環(huán)路，循環(huán)介質為水(或防凍劑溶液)。冬季從周圍土壤(地層)吸收熱量，夏季向土壤(地層)釋放熱量，其循環(huán)有一臺小功率的循環(huán)泵來實現(xiàn)。地熱換熱器的設計是否合理是決定埋管式地源熱泵系統(tǒng)運行的可靠性和經(jīng)濟性的關鍵。要取得合理設計地熱換熱器基礎數(shù)據(jù)，必須測定現(xiàn)場深層巖土熱物性。制約地源熱泵系統(tǒng)應用的主要障礙是在地下埋管的投資較高。

②制冷劑環(huán)路

即在熱泵機組內部的制冷循環(huán)，與空氣源熱泵相比，只是將空氣一制冷劑換熱器換成水一制冷劑換熱器，其它結構基本相同。

③室內環(huán)路

室內環(huán)路在建筑物內和熱泵機組之間傳遞熱量，傳遞熱量的主要介質為水，熱量(冷量)通過風機盤管釋放到房間。

2.2．主要型式

地源熱泵的地下環(huán)路中的介質是水 (或防凍劑溶液)，根據(jù)其供熱(冷)介質(承擔室內負荷的介質)的組合方式不同，地源熱泵主機可分為：水一水系統(tǒng)、水一冷劑系統(tǒng)、水一空氣系統(tǒng)熱泵。與此相應的空調系統(tǒng)型式主要有三種：

①水一水系統(tǒng)

水一水系統(tǒng)熱泵主機的制冷工況與普通冷水機組的功能相同，即它是空調系統(tǒng)的冷源，為空調系統(tǒng)的末端裝置提供冷凍水(二次冷媒)。在供熱工況(熱泵運行方式)，能夠為空調系統(tǒng)提供45℃—55℃的熱水。在選用該型主機時，應著重注意兩點：一是空調系統(tǒng)供熱工況末端裝置的選擇、設計應與熱媒參數(shù)相匹配；二是該型主機制冷與供熱工況間的轉換一般是通過機外二次冷媒水與地熱換熱器循環(huán)水流道切換實現(xiàn)的，因此水系統(tǒng)的設計應滿足這一要求。

②水一冷劑系統(tǒng)

水一冷劑系統(tǒng)熱泵主機與冷、熱兩用的家用分體式空調的工作原理基本相同。不同的是它利用地熱換熱器循環(huán)水作為熱泵制冷工況的冷卻水和供熱工況的低溫熱源。家用分體空調中體積龐大、噪聲污染嚴重的室外機被兩根循環(huán)水管所取代。由該型熱泵主機組成的空調系統(tǒng)與風機盤管系統(tǒng)基本相同。只是前者承擔室內負荷的是制冷劑，而后者是冷凍(熱)水。因此，該型熱泵主機的選擇、設計、安裝與控制可參照風機盤管系統(tǒng)進行。

③水一空氣系統(tǒng)

水一空氣系統(tǒng)熱泵主機與全空氣系統(tǒng)中空調機組的作用相同。不同的是前者自身具備冷、熱源，其蒸發(fā)器(或冷凝器)相當于空調機組的表冷器(或加熱器)。因此，該型熱泵主機的熱效率高于水一水系統(tǒng)熱泵主機。在不需要二次冷(熱)媒的情況下，宜優(yōu)先考慮選用這種主機。該機組的選擇設計方法與空調機組的基本相同。應注意的是二者的熱媒參數(shù)有所不同，在確定加熱器(冷凝器)面積時應區(qū)別對待。

3、地源熱泵空調系統(tǒng)經(jīng)濟技術比較

地熱換熱器設計是否合理決定著地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性和運行的可靠性。地熱換熱器所需埋管的總長度需要根據(jù)埋管的形式、地下巖土的熱物性、地下的溫度和冷熱負荷的情況作詳細的計算才能確定。設置地熱換熱器的費用，其中主要是鉆孔的費用，構成地源熱泵系統(tǒng)初投資的1/4—1/3，是初投資增加的主要因素。因此正確設計地熱換熱器埋管的長度對于保證系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟性十分重要。

地源熱泵空調系統(tǒng)的經(jīng)濟性取決于多種因素。不同地區(qū)，不同地質條件，不同能源結構及價格等都將直接影響到其經(jīng)濟性。根據(jù)國外的經(jīng)驗，地源熱泵系統(tǒng)供熱時比直接電熱方式節(jié)電60%以上，比燃油或燃氣鍋爐的運行費用也大大降低。由于地源熱泵運行費用低，增加的初投資可在4—7年內收回，地源熱泵系統(tǒng)在整個服務周期內的平均費用將低于傳統(tǒng)的空調系統(tǒng)。

4、在國內外的應用

2O世紀5O年代，歐洲和美國開始了研究地源熱泵的第一次高潮。但當時能源價格低，這種系統(tǒng)并不經(jīng)濟，因而未得到推廣。到上世紀7O年代，石油危機和日益惡化的環(huán)境把人們的注意力集中到節(jié)能、高效益用能和環(huán)境保護上時，使地源熱泵的研究進入了又一次高潮，最近2O年在歐美等工業(yè)發(fā)達國家得到了迅速的發(fā)展，已成為一項成熟的應用技術。1998年美國能源部頒布法規(guī)，要求在全國聯(lián)邦政府機構的建筑中推廣應用地源泵供熱空調系統(tǒng)。在美國，地源熱泵空調系統(tǒng)占整個空調系統(tǒng)的40%，是美國政府極力推廣的節(jié)能、環(huán)保技術。目前，美國已安裝了60萬臺地源熱泵空調系統(tǒng)，而且計劃每年安裝4O萬臺，能降低溫室氣體排放一百萬噸，相當于減少5O萬輛汽車的污染排放或植樹一百萬英畝，年節(jié)約能源費用4．2億美元。瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要利用地源熱泵供暖及提供生活熱水。據(jù)1999年的統(tǒng)計，在家用供熱裝置中，地源熱泵所占比例為：瑞士96%，奧地利38%，丹麥27%。

在我國。由于能源價格的特殊性以及人們節(jié)能、環(huán)保的認識程度等原因以及其它一些因素的影響，地源熱泵空調技術應用和發(fā)展比較緩慢，人們對之尚不十分了解，推廣較困難。然而，隨著人們生活水平的提高，人均能耗的增長，一次性礦物能源的日益衰竭以及環(huán)境的日趨惡化，地源熱泵技術已越來越引起人們的重視。

結束語

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們節(jié)能、環(huán)保意識的日益提高，地源熱泵作為一種節(jié)能、環(huán)保的綠色空調設備，可以適應能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，在我國必將有廣闊的應用和發(fā)展前景。

[1]同方，周大勇.供熱調節(jié)技術[Z].2006年08月；

[2]田茂誠.熱力系統(tǒng)[M].濟南:山東大學出版社，1997.