淺析地源熱泵技術(shù)

摘要：文章簡述了地源熱泵系統(tǒng)的概念原理、種類安裝、耗能效率及應(yīng)用范圍，指出了推廣應(yīng)用發(fā)展的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊前程

關(guān)鍵詞：地源熱泵；地?zé)豳Y源（地能）；概念原理；種類安裝；高效環(huán)保

中圖分類號(hào)：P754 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）07-

由于全世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的急劇增長，生態(tài)破壞、環(huán)境污染和資源匱乏日益嚴(yán)重，節(jié)能減排、低碳環(huán)保已成為社會(huì)持續(xù)健康發(fā)展的新主題。人類找尋利用低耗高效的能源已成為當(dāng)務(wù)之急，地源熱泵就具備這方面得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

地源熱泵技術(shù)利用了恒溫帶地下淺層的含水層即地?zé)豳Y源也稱地能（包括地下水、土壤、地表水或海水等）向建筑物冬季供熱和生活熱水，夏季供冷的高效節(jié)能環(huán)?？照{(diào)系統(tǒng)。地源能是一種潔凈的可再生能源，它具有熱流密度大、方便收集和輸送、參數(shù)穩(wěn)定、使用方便、不受區(qū)域限制等優(yōu)點(diǎn)。作為能量來源，依靠少量的高品位能源（如電能）驅(qū)動(dòng)，通過與地能的交換實(shí)現(xiàn)低品位熱能向高品位能熱的轉(zhuǎn)移。冬季里，把地能中的熱量“取”出來提高溫度后，供給室內(nèi)取暖；夏季里，把室內(nèi)的熱量“取”出去，釋放到地能中，在一個(gè)年度里實(shí)現(xiàn)一個(gè)冷熱循環(huán)，而且還不影響地下溫度的均衡。通常將以土壤的蓄熱量、蓄冷量為冷熱源的空調(diào)系統(tǒng)稱為地源熱泵。由于系統(tǒng)采用了特殊的換熱方式，使高達(dá)70%的能量來源于土壤而約30%的能量來自電力，因此這項(xiàng)技術(shù)具有傳統(tǒng)空調(diào)無法比擬的高效節(jié)能的特點(diǎn)，它實(shí)現(xiàn)了節(jié)能與環(huán)保的統(tǒng)一。

1 構(gòu)造及原理

地源熱泵和制冷的原理及系統(tǒng)設(shè)備的組成功能基本是相同的。

地源熱泵系統(tǒng)由三個(gè)關(guān)鍵部位組成：室外地能換熱系統(tǒng)、地源熱泵機(jī)組和室內(nèi)末端裝置系統(tǒng)組成。熱泵機(jī)組為動(dòng)力部位，由制冷壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和膨脹閥等輔助設(shè)備構(gòu)成閉合回路。壓縮機(jī)起著壓縮和輸送制冷劑從低溫低壓處到高溫高壓處的作用，是系統(tǒng)的心臟，蒸發(fā)器是運(yùn)送冷量的設(shè)備，它的作用是使經(jīng)膨脹閥流入的制冷劑液體蒸發(fā)吸收被冷卻物的熱量，達(dá)到制冷的效果。冷凝器是輸出熱量的設(shè)備，從蒸發(fā)器中吸收的熱量和壓縮機(jī)做功轉(zhuǎn)化的熱量在冷凝器中被冷卻介質(zhì)（水或空氣）一并帶走，達(dá)到制熱的效果。膨脹閥對(duì)高溫高壓制冷劑液體進(jìn)行節(jié)流降壓和調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量。

1.1 制冷狀態(tài)下

地源熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功，使其進(jìn)行汽-液相變轉(zhuǎn)化的循環(huán)。通過蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)將風(fēng)機(jī)盤管循環(huán)所帶的熱量吸收至冷媒中在冷媒循環(huán)流動(dòng)的同時(shí)再通過冷凝器內(nèi)冷媒的冷凝由水路循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收，然后由水路循環(huán)轉(zhuǎn)移至地下水或土壤里，在室內(nèi)熱量不斷轉(zhuǎn)移至地下的過程中，經(jīng)過風(fēng)機(jī)盤管，以低于13℃的冷風(fēng)形式給房間供冷。

1.2 供暖狀態(tài)下

地源熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功，并通過換向閥將冷媒流動(dòng)方向換向，由地下的水路循環(huán)吸收地下水或土壤中的熱量，通過冷凝器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)，將水路循環(huán)中的熱量吸收至冷媒中，在冷媒流動(dòng)循環(huán)的同時(shí)再通過蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的冷凝，由風(fēng)機(jī)盤管將冷媒所攜帶的熱量吸收，在地下的熱量不斷轉(zhuǎn)移至室內(nèi)的過程中，以35℃以上的熱風(fēng)形式向室內(nèi)供暖。

2 地源熱泵的優(yōu)點(diǎn)

高效節(jié)能：極大地利用了地球淺層地?zé)豳Y源，用1kW電可制造4kW以上的冷熱量。

運(yùn)行費(fèi)用低：運(yùn)行費(fèi)用比傳統(tǒng)中央空調(diào)節(jié)省約50%左右。

節(jié)省投資：無須設(shè)置冷卻塔、鍋爐等設(shè)備，沒有外掛機(jī)，沒有噪音，節(jié)省建筑面積，設(shè)備可分期投資。

安全環(huán)保：消除了燃燒或爆炸隱患，不向周圍環(huán)境排放有害氣體和排熱，沒有熱島效應(yīng)。

運(yùn)行可靠：系統(tǒng)不受外界氣候變化影響，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，使用壽命20年以上，是分體或窗式機(jī)的2～4倍。

維護(hù)簡單：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，故障點(diǎn)少，無需專人管理，運(yùn)行費(fèi)用低。

獨(dú)立計(jì)費(fèi)：可分區(qū)、分戶安裝，單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立計(jì)費(fèi)功能。

使用靈活：一機(jī)多用，集空調(diào)制冷、供暖制熱、供生活熱水于一體。

3 地源熱泵的種類和安裝

室外水環(huán)路換熱系統(tǒng)為熱泵機(jī)組提供冷熱源，根據(jù)室外水環(huán)路的形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)可以劃分為以下幾種類型：開式、閉式、輔助系統(tǒng)。

3.1 開式系統(tǒng)

如果建筑附近地區(qū)有諸如湖水、河水、地下水、礦井水這樣的自然水源可作為冷熱源，開式系統(tǒng)就可利用這樣的自然水源作為冷熱源，通過熱泵技術(shù)將水資源中的低品熱能轉(zhuǎn)化為用于供熱的高品熱能以及用作制冷時(shí)的冷卻水，所耗的能量僅為占總供熱（或制冷）量的四分之一的用電量，從而能夠節(jié)約大量的運(yùn)行費(fèi)用。

采用地表水（如湖水、河水等）時(shí)，只須從上游取水，向下游回水。而從地下抽取地下水時(shí)，須在適當(dāng)?shù)爻槿∩疃壬侠盟|(zhì)較好地下水（地表水）作為直接能源，且抽水井必須有足夠的水量以滿足機(jī)組運(yùn)行所需水量要求。在這樣理想的狀況下，地表水（地下水）源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用是一種非常經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)形式，但受到地下水資源的限制。

3.2 閉式系統(tǒng)

如果建筑物周圍有較大的綠化帶或空地時(shí)可以采用閉式系統(tǒng)。閉式系統(tǒng)是一種以土壤為冷熱源的熱泵系統(tǒng)，室外水環(huán)路系統(tǒng)采用封閉的管線，內(nèi)加水或防凍液作為中間介質(zhì)與大地進(jìn)行熱交換。制冷工況時(shí)，系統(tǒng)將熱量從建筑物內(nèi)轉(zhuǎn)移到大地，制熱工況時(shí)，系統(tǒng)從大地吸收熱量并轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)。利用土壤這樣的穩(wěn)定熱源，地源熱泵可以全年提供可靠有效的舒適性。

閉式系統(tǒng)包括地下封閉的高密度聚乙烯管（PE管）熱交換管路，水或防凍液作為中間介質(zhì)以及循環(huán)泵。當(dāng)系統(tǒng)處于制冷工況時(shí)，管內(nèi)液體溫度將會(huì)上升，熱量被散發(fā)到較冷的大地中去，相對(duì)的，當(dāng)系統(tǒng)處于供熱工況時(shí)，管內(nèi)液體溫度下降，熱量從大地吸入。循環(huán)泵運(yùn)行系統(tǒng)中的循環(huán)水或防凍液。

高密度聚乙烯管（PE管）熱交換管路可以采用垂直或水平安裝，或是浸沒在池塘中或湖中。設(shè)計(jì)適當(dāng)時(shí)，這三種形式都以相似的效率運(yùn)行，高密度聚乙烯塑料管用于閉合式環(huán)路安裝，管接頭用熱熔形成接頭，因此接頭比管道本身還要結(jié)實(shí)。管環(huán)路的預(yù)計(jì)使用壽命達(dá)50年。環(huán)路管長的設(shè)計(jì)與土壤的性質(zhì)，埋管方式等多方面因素有關(guān)。

3.3 輔助系統(tǒng)

在沒有自然的冷熱源可利用的情況下，可以采用閉合環(huán)路水源熱泵系統(tǒng)。夏季采用冷卻塔散出系統(tǒng)多余熱量，冬季通過輔助熱源（如外圍熱網(wǎng)、輔助鍋爐等）補(bǔ)充系統(tǒng)熱量，此時(shí)系統(tǒng)水環(huán)路的水溫宜保持在15℃～35℃之間。閉合環(huán)路水源熱泵系統(tǒng)采用一個(gè)雙管封閉的水系統(tǒng)并聯(lián)連接建筑物中各個(gè)區(qū)域的水源熱泵機(jī)組，通過閉合環(huán)路中水溫保持在15℃～35℃之間的水的循環(huán)保證機(jī)組的運(yùn)行，為保證系統(tǒng)水溫維持在15℃～35℃之間常常需要用輔助熱源和散熱設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)水溫比15℃低時(shí)利用加熱裝置加熱，當(dāng)循環(huán)水溫高于35℃時(shí)，利用冷卻塔進(jìn)行冷卻。

4 與其他能源的耗能效率比較

地緣熱泵馬這些能源的耗能效率比較，效率要高幾倍電能：100%，天然氣：92%，油料：85% 地源熱泵空調(diào)：300%～400%。

5 應(yīng)用范圍

學(xué)校、賓館、娛樂城、室內(nèi)游泳館、溫室、工業(yè)建筑廠房、商場醫(yī)院、大型公共場所、別墅、員工洗澡堂、桑拿館等的。

概括而言，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的能量來源于自然能源，它不向大氣環(huán)境排放任何有毒有害氣體和廢水，是一種低碳環(huán)保的“綠色空調(diào)”，是21世紀(jì)可使用的節(jié)約高效的供冷、供暖空調(diào)技術(shù)體系，節(jié)能高達(dá)70%，經(jīng)過2～4年的運(yùn)行，節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用就可收回該系統(tǒng)的投入成本，沒有寒帶、溫帶、熱帶使用地區(qū)的限制，它將為世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)健康高速發(fā)展帶來新的契機(jī)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 吳春紅.淺談地源熱泵[M].能源與節(jié)能，2011.

作者簡介：代桂華（1964-），女，陜西西安人，西安市干鮮果副食公司工程師，研究方向：空調(diào)制冷工程。

（責(zé)任編輯：吳 濤）