地源熱泵應(yīng)用及其發(fā)展趨勢分析

陳華 劉之光 夏佐強(qiáng)

天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

0 引言

地源熱泵是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)[1]。地源熱泵技術(shù)上世紀(jì)80年代后期開始在世界范圍內(nèi)應(yīng)用，近年來全世界每年以20%以上的速度在增長[2]。它有三大優(yōu)點(diǎn)：一是比其他常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)可節(jié)能40%左右；二是環(huán)保不排放任何廢棄物；三是運(yùn)行費(fèi)用可降低40%～50%[3]。

雖然地源熱泵相比于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)具有節(jié)能減排的優(yōu)勢，但是在應(yīng)用過程中也會遇到很多問題，如制熱（冷）量不足、效率低等，這會降低節(jié)能效果，影響其推廣應(yīng)用。針對這些問題，近年來出現(xiàn)了地源熱泵與太陽能、地源熱泵與冰蓄冷結(jié)合的技術(shù)，在一定程度上克服了這些缺陷，成為地源熱泵技術(shù)的發(fā)展趨勢。當(dāng)然地源熱泵與其他技術(shù)的結(jié)合需要繼續(xù)進(jìn)行研究分析，以使地源熱泵技術(shù)更好地發(fā)揮其優(yōu)勢，更廣泛地應(yīng)用。

1 地源熱泵-太陽能復(fù)合系統(tǒng)

1.1 原理

地源熱泵-太陽能復(fù)合系統(tǒng)是以淺層地?zé)崮芤约疤柲転槟芰縼碓?，將地源熱泵系統(tǒng)和太陽能集熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化組合，用來對建筑物冬季供暖、夏季供冷及制取生活熱水的系統(tǒng)。地源熱泵-太陽能復(fù)合系統(tǒng)是由地源熱泵機(jī)組、太陽能集熱系統(tǒng)、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的，復(fù)合系統(tǒng)示意圖如圖1。

圖1 復(fù)合系統(tǒng)示意圖

圖2為太陽能-地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)原理圖，此系統(tǒng)的運(yùn)行模式是由地下埋管換熱系統(tǒng)與太陽能集熱系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行。利用這套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)建筑物夏季供冷、冬季供暖、全年生活熱水的供應(yīng)以及地下蓄能等功能，可保證地埋管區(qū)域土壤吸放熱量的動態(tài)平衡，從而使得地下溫度場保持穩(wěn)定的變化，機(jī)組運(yùn)行工況穩(wěn)定，同時(shí)可以提高地下?lián)Q熱器換熱效率與熱泵運(yùn)行能效[4]。

圖2 太陽能-地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)原理圖

1.2 不同季節(jié)系統(tǒng)流程

1.2.1 夏季供冷時(shí)的流程

復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)夏季供冷時(shí)，是由地源側(cè)循環(huán)系統(tǒng)、負(fù)荷側(cè)循環(huán)系統(tǒng)、太陽能集熱循環(huán)系統(tǒng)組成，地源熱泵系統(tǒng)和太陽能集熱系統(tǒng)都各自獨(dú)立運(yùn)行，負(fù)荷側(cè)循環(huán)系統(tǒng)正常開啟。地源熱泵系統(tǒng)作為建筑物的供冷冷源，太陽能集熱系統(tǒng)作為建筑物的生活熱水熱源[5]。

1.2.2 秋季蓄熱時(shí)的流程

復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)秋季運(yùn)行時(shí)，地源側(cè)循環(huán)系統(tǒng)的地源熱泵機(jī)組停止運(yùn)行，負(fù)荷側(cè)循環(huán)系統(tǒng)也停止運(yùn)行，太陽能集熱循環(huán)系統(tǒng)正常運(yùn)行，地源側(cè)循環(huán)泵開啟。太陽能集熱系統(tǒng)除了滿足生活熱水外，其余采集的熱量都通過地埋管蓄存到地下，以備冬季供暖時(shí)使用[6]。

1.2.3 冬季供熱時(shí)的流程

復(fù)合空調(diào)系統(tǒng)冬季運(yùn)行時(shí)，依然是由地源側(cè)循環(huán)系統(tǒng)、負(fù)荷側(cè)循環(huán)系統(tǒng)、太陽能集熱循環(huán)系統(tǒng)組成，地源熱泵系統(tǒng)和太陽能集熱系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行，負(fù)荷側(cè)循環(huán)系統(tǒng)正常開啟，地埋管換熱器和太陽能集熱器同時(shí)作為供暖的熱源[7]。熱泵機(jī)組蒸發(fā)器所提取的熱量，一部分來自太陽能集熱器，一部分來自地下?lián)Q熱器[8]。

該熱泵機(jī)組在制熱模式下，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度10℃，出水溫度6℃，冷凝器進(jìn)水溫度40℃，出水溫度45℃；制冷模式下，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度12℃，出水溫度7℃，冷凝器進(jìn)水溫度25℃，出水溫度30℃。在末端系統(tǒng)選配方面，選用的末端夏季供水溫度可比7℃提高，冬季可比正常采暖溫度低，就可以充分利用低品位能源，機(jī)組COP將大大提高[9]。此外，末端應(yīng)采用獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)即新風(fēng)負(fù)荷單獨(dú)處理，末端設(shè)備只承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷就可以達(dá)到要求，即采用地源熱泵新風(fēng)溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)高效干式末端（毛細(xì)管、誘導(dǎo)冷梁、干式盤管），即可有效提高系統(tǒng)的節(jié)能性。如毛細(xì)管輻射供冷時(shí)，夏季可將供水溫度由7℃提高到16℃，冬季可將供水溫度從50℃以上降到32℃，機(jī)組COP則可由5提高到8以上，以實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能效果。

1.3 應(yīng)用及節(jié)能情況

太陽能-地源熱泵組合系統(tǒng)用于全年供冷供暖空調(diào)和生活熱水供應(yīng)是完全可行的。由于主要利用可再生資源，所以使用組合系統(tǒng)具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。只要通過合理設(shè)計(jì)，太陽能-地源熱泵組合系統(tǒng)提供的能量可以占建筑物采暖、空調(diào)與熱水負(fù)荷總能耗的60%以上，比常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能20%以上，但初投資比較大。

我國蘊(yùn)涵著豐富的太陽能和地表能，開發(fā)、推廣應(yīng)用空間很大。如果有100萬m2建筑采用太陽能-地源熱泵系統(tǒng)，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤12萬噸，減少煙氣排放量1億m3，并且運(yùn)行費(fèi)用比傳統(tǒng)空調(diào)低30%～60%[10]。

2003年，Andrew D Caisson與 Cenk Yavuzturk，對太陽能集熱器輔助加熱的地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明：在以供暖為主的地區(qū)，帶有太陽能集熱器的地源熱泵系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上是可行的，且具有明顯的節(jié)能效果[11]。

楊衛(wèi)波研究表明：聯(lián)合運(yùn)行模式不僅可以改善熱泵性能，提高日間系統(tǒng)運(yùn)行效率，還可以把U型埋管作為一個(gè)熱源緩沖體，起到日間暫時(shí)儲存富余太陽能作用的目的，以改善夜間運(yùn)行效率。聯(lián)合運(yùn)行時(shí)太陽能與地?zé)崮軣嵩闯袚?dān)熱負(fù)荷比例為43.3%∶50.2%，相比單獨(dú)地源熱泵，聯(lián)合運(yùn)行模式的節(jié)能率為8.8%～10.1%[12]。

劉逸等通過對太陽能-地源熱泵式空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算得出系統(tǒng)冬季運(yùn)行COP平均可達(dá)4.5，夏季運(yùn)行COP平均可達(dá)3.8[13]。

1.4 存在問題分析

1）由于受太陽能集熱器的影響，太陽能空調(diào)普遍存在著效率低、價(jià)格高的問題。太陽能空調(diào)中的太陽能集熱器可以與太陽能熱水器通用。隨著太陽能熱水器技術(shù)的發(fā)展，太陽能集熱器的效率會逐漸提高。對于原來有太陽能熱水器的用戶可以進(jìn)行改造，先制冷再用余熱洗澡，使其具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

2）集熱溫度、冷水溫度及冷卻水溫度應(yīng)各為多少，才能建立一個(gè)最為經(jīng)濟(jì)合理的太陽能空調(diào)系統(tǒng)，也是尚待解決的課題。只要有了合適的集熱器和制冷機(jī)，才能建立經(jīng)濟(jì)合理的太陽能空調(diào)系統(tǒng)。

3）由于太陽能的收集存在時(shí)效問題，蓄熱技術(shù)也必須得到很好的解決以實(shí)現(xiàn)太陽能空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用的隨意性和連續(xù)性。

4）對于居住相對集中的樓房，集熱器的安裝受到很大的限制，這主要是因?yàn)樘柲芸照{(diào)的安裝不普遍，樓房的設(shè)計(jì)沒有考慮到太陽能空調(diào)。要通過太陽能應(yīng)用與建筑一體化設(shè)計(jì)來解決這個(gè)問題。

5）目前，還沒有太陽能空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件、控制芯片、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的配套設(shè)備和零部件，這是科技與市場結(jié)合的問題。解決這一問題需要太陽能空調(diào)形成一定的規(guī)模,占領(lǐng)一定的市場，還需要政府和科技部門給予支持。

6）使用地源熱泵系統(tǒng)易造成地下土壤的冷熱量不平衡，不利于空調(diào)的運(yùn)行和環(huán)境的保護(hù)。解決以上問題，必須保證冷熱負(fù)荷的平衡[14]。

2 冰蓄冷與地源熱泵耦合應(yīng)用技術(shù)

地源熱泵技術(shù)雖然可以供熱供冷，但無法在夜間電力低谷時(shí)蓄冷，進(jìn)而“削峰填谷”。冰蓄冷技術(shù)雖然可以起到“削峰填谷”的作用，卻無法在冬季供暖。而將這兩項(xiàng)技術(shù)嫁接到一起，可以取長補(bǔ)短，優(yōu)勢互補(bǔ)。

2.1 不同季節(jié)系統(tǒng)流程

2.1.1 夏季供冷時(shí)系統(tǒng)流程

地埋管地源熱泵與冰蓄冷聯(lián)合運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)夏季供冷時(shí)，由冷卻循環(huán)、制冷循環(huán)、蓄冰循環(huán)和供冷循環(huán)四個(gè)子系統(tǒng)組成，如圖3所示。

圖3 地源熱泵與冰蓄冷聯(lián)合運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)夏季供冷流程

1）冷卻循環(huán)。從冷凝器出來的熱水進(jìn)入地?zé)釗Q熱器中進(jìn)行熱交換，將熱量排入大地。

2）制冷劑循環(huán)。熱泵機(jī)組中的制冷劑將蒸發(fā)器中載冷劑的熱量吸收，在冷凝器中與冷卻循環(huán)中的水進(jìn)行熱交換，將熱量從熱泵系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移出去。

3）蓄冰循環(huán)。載冷劑在蒸發(fā)器中降溫后向蓄冰槽充冷，蓄冰槽蓄冷。

4）供冷循環(huán)。蒸發(fā)器或蓄冰槽向空調(diào)換熱器供冷，提供室內(nèi)所需的冷量。其中在供冷循環(huán)中又可以分為三種運(yùn)行模式：

①常規(guī)空調(diào)供冷模式。此時(shí)蓄冰槽不工作，系統(tǒng)將來自熱泵機(jī)組蒸發(fā)器的溫度較低的載冷劑供至板式換熱器，以產(chǎn)生空調(diào)用冷水。

②蓄冰槽單獨(dú)供冷模式。此時(shí)僅從蓄冰槽融冰取冷，通過板式換熱器冷卻空調(diào)用水，熱泵機(jī)組制冷工況停止運(yùn)行[15]。

③聯(lián)合供冷模式。此時(shí)熱泵機(jī)組和蓄冰槽聯(lián)合向空調(diào)設(shè)備供冷。由于夏季地溫比環(huán)境溫度低，地源熱泵機(jī)組冷凝壓力降低，壓縮機(jī)輸入功率減少，使制冷性能比空氣源熱泵機(jī)組有較大提高。在空調(diào)日負(fù)荷較高時(shí)，夜間熱泵機(jī)組蓄冷，日間啟動熱泵機(jī)組的制冷工況和蓄冷設(shè)備同時(shí)供冷。這樣設(shè)計(jì)可使蒸發(fā)溫度及冷凝溫度波動不大，從而保證了熱泵機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1.2 冬季供熱時(shí)系統(tǒng)流程

冬季供熱時(shí)地埋管地源熱泵與冰蓄冷聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)簡化為地源熱泵供熱系統(tǒng)，運(yùn)行流程如圖4所示。地?zé)釗Q熱器中的循環(huán)液在蒸發(fā)器中將熱量傳給制冷劑，通過制冷劑循環(huán)將熱量轉(zhuǎn)移到室內(nèi)[16]。

圖4 地源熱泵與冰蓄冷空調(diào)聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)冬季供熱流程

2.2 應(yīng)用及節(jié)能情況

地源熱泵聯(lián)合冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)有著較大的市場應(yīng)用前景：

1）小型別墅逐年增多，地源熱泵聯(lián)合冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)是富裕起來的城鄉(xiāng)居民家庭空調(diào)的首選機(jī)型，這部分居民占我國人口的比例不大，但絕對數(shù)不小；

2）城市綠化面積擴(kuò)大，也為一些低層住戶、小型商業(yè)及辦公用戶提供了使用地源熱泵聯(lián)合冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的條件；

3）工礦企業(yè)的辦公、計(jì)量、化驗(yàn)、檢測等附屬用房也具有使用地源熱泵聯(lián)合冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的條件；

4）采用冰蓄冷空調(diào)，冷凍水溫度可降至1～4℃，能實(shí)現(xiàn)冷凍水大溫差或低溫送風(fēng)，減少空調(diào)末端系統(tǒng)中水泵與風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗，降低水管、風(fēng)管的管徑，有利于降低空調(diào)末端系統(tǒng)投資和提高建筑物空間利用效率。據(jù)國外資料介紹，在定負(fù)荷運(yùn)行情況下，蓄冷空調(diào)比非蓄冷空調(diào)年節(jié)能率為13%；

5）為解決電力負(fù)荷不均的問題，我國將進(jìn)一步拉大峰谷電價(jià)比，與國際通行峰谷電價(jià)比例靠攏，以鼓勵(lì)利用低谷電。隨著“峰谷電價(jià)”政策的全面實(shí)行，地源熱泵戶型蓄冰中央空調(diào)將會有更為廣闊的市場前景[17]。

如蘇州某研究院項(xiàng)目，采用冰蓄冷與地源熱泵耦合技術(shù)，一次性投資比單純地源熱泵系統(tǒng)節(jié)省20%，運(yùn)行電費(fèi)節(jié)省27%，采暖能源費(fèi)用較燃油鍋爐節(jié)省40%；根據(jù)測算，每年還可節(jié)水約5萬t，減少CO2排放3萬t，每年至少減少燃煤消耗6000t，減排煙氣量1.8億m3；同時(shí)，由于采用了冰蓄冷地源熱泵耦合節(jié)能技術(shù)，項(xiàng)目業(yè)主獲得了600萬元的政府補(bǔ)貼。該項(xiàng)目于2009年12月投入試運(yùn)行，冰蓄冷適應(yīng)建筑物分步建成投入使用的技術(shù)特性也得到了較好的驗(yàn)證，目前已投用建筑空調(diào)使用負(fù)荷約為設(shè)計(jì)負(fù)荷的60%。截止到2010年8月底，空調(diào)系統(tǒng)基本處于全融冰模式運(yùn)行，土壤溫度和冷卻水溫度持續(xù)穩(wěn)定，支付電費(fèi)約35萬元，遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)運(yùn)行得到用戶充分肯定[18]。

2.3 存在問題分析

1）對于地埋管地源熱泵與冰蓄冷聯(lián)合運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略方面的設(shè)計(jì)研究還不夠。

2）在地埋管地源熱泵與冰蓄冷聯(lián)合運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)的能耗分析中,需進(jìn)一步研究不同的全年累計(jì)冷熱負(fù)荷不平衡率對系統(tǒng)運(yùn)行效率及逐年運(yùn)行費(fèi)用影響。

3）對于系統(tǒng)能耗及經(jīng)濟(jì)性的分析僅局限于理論分析和計(jì)算機(jī)模擬分析，結(jié)合實(shí)際工程的實(shí)測分析還不夠。

3 結(jié)束語

近年來，地源熱泵在建筑中應(yīng)用得越來越廣泛，我國的建筑節(jié)能及環(huán)保方面發(fā)揮了越來越重要的作用，而將地源熱泵與其他技術(shù)結(jié)合起來，又有以下優(yōu)勢：

1）將地源熱泵與太陽能結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)建筑物夏季供冷、冬季供暖、全年生活熱水的供應(yīng)以及地下蓄能等多種功能，保證地埋管區(qū)域土壤吸放熱量的動態(tài)平衡，同時(shí)可提高地下?lián)Q熱器換熱效率與熱泵運(yùn)行能效；

2）將地源熱泵與冰蓄冷結(jié)合，可共用機(jī)組，節(jié)約初投資和占地空間，在一定程度上解決了污染問題，而且還為平衡電網(wǎng)負(fù)荷做出了貢獻(xiàn)；該系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)，具有明顯的節(jié)能潛力。

相信只要揚(yáng)長避短、優(yōu)化設(shè)計(jì)，地源熱泵與其他技術(shù)聯(lián)合構(gòu)建的復(fù)合式新型能源系統(tǒng)將具有廣闊的發(fā)展前景。

[1]B Sannera,C Karytsasb,D Mendrinosb.Current status of ground source heat pumps and underground thermal energy storage in Europe[J].Geothermics,2003,32:579-588

[2]郭江龍.地源熱泵節(jié)能技術(shù)[J].河北電力技術(shù),2011,30(1):51-53

[3]秦鐵正,賈湛,彭津琴.發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)地源熱泵大有作為[J].資源節(jié)約與環(huán)保,2011,(5):46-49

[4]V Trillat-Berdal,B Souyri,G Achard.Coupling of geothermal heat pumps with thermal solar collector[J].Applied Thermal Engineering,2007,27(10):1750-1755

[5]Arif Hepbasli.Exergetic modeling and assessment of solar assisted domestic hot water tank integrated ground-source heat pump systems for residences[J].Energy and Buildings,2007,39:1211-1217

[6]Huajun Wang,Chengying Qi.Performance study of underground therma l storage in a solar-ground coupled heat pump system for residential buildings[J].Energy and Buildings,2008,40:1278-1286

[7]張士松.地源熱泵—太陽能復(fù)合系統(tǒng)在辦公建筑中的應(yīng)用研究[D].山東:山東建筑大學(xué),2011

[8]Onder Ozgenera,Arif Hepbaslib.Experimental performance analy-sis of a solar assisted ground-source heat pump greenhouse heating system[J].Energy and Buildings,2005,37:101-110

[9]Yuehong Bi,Tingwei Guo,Liang Zhang.Solar and ground source heat-pump system[J].Applied Energy,2004,78:231-245

[10]劉飛,張棟梁.太陽能—地源熱泵組合空調(diào)/熱水系統(tǒng)簡介[J].桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2008,(1):14-16

[11]Andrew D Chiasson,Cenk Yavuzturk.Assessment of the viability of hybrid geothermal heat pump system with solar thermal collector.ASHRAE Transactions,2003,109(2):487-500

[12]Yang W B,Shi M H,Dong H.Numerical simulation of the perfor-mance of a solar-earth source heat pump system[J].Applied Thermal Engineering,2006,26:2367-2376

[13]宮克勤,劉逸,劉丹,等.太陽能地源熱泵式空調(diào)系統(tǒng)研究[J].太陽能學(xué)報(bào),2007,28(4):416-420

[14]V Trillat-Berdal,B Souyri,G Fraisse.Experimental study of a ground-coupled heat pump combined with thermal solar collectors[J].Energy and Buildings,2006,38:1477-1484

[15]Liao M Y,Yan Z S.The evaluation of coil ice storage air conditioning system[A].In:Cryogenics and Refrigeration-Proceedings of ICCR 98[C].Beijing:International Academic Publishers,1998:258-262

[16]郭曉強(qiáng).地埋管地源熱泵與冰蓄冷聯(lián)合運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)研究[D].山東：山東建筑大學(xué),2010

[17]王茂盛.地源熱泵聯(lián)合冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)[J].制冷與空調(diào),2008,22(5):86-89

[18]葉水泉,范慶,郭盛楨.冰蓄冷與地源熱泵耦合應(yīng)用技術(shù)[J].電力需求側(cè)管理,2010,12(5):32-34