地源熱泵技術(shù)工作原理及在暖通工程中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

梁永輝

（邢臺(tái)守敬建筑設(shè)計(jì)有限公司 河北 邢臺(tái) 054000）

【摘 要】 本文介紹了地源熱泵技術(shù)的工作原理和特點(diǎn)，分析探討了地源熱泵的工程設(shè)計(jì)應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 暖通工程；地源熱泵技術(shù)；應(yīng)用設(shè)計(jì)

Ground source heat pump technology and application design works in HVAC engineering

Liang Yong-hui

(Architectural Design Co., Ltd. Xingtai Shoujing Xingtai Hebei 054000) 

【Abstract】 This article describes the ground source heat pump technology works and characteristics, analyzes and discusses the engineering design of ground source heat pump.

【Key words】 HVAC engineering;Ground source heat pump technology;Application Design

地源熱泵技術(shù)是一種高效的節(jié)能環(huán)保型供熱、空調(diào)技術(shù)。該技術(shù)是以地球表面淺層地?zé)豳Y源作為冷熱源，利用熱泵工作原理，通過(guò)少量的高位電能輸入、實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。地表淺層地?zé)豳Y源是指地表土壤、地下水河流、湖泊吸收太陽(yáng)能而蘊(yùn)藏的低位熱能，是一種清潔、可再生的能源。地源熱泵技術(shù)作為一種有益于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的冷熱源形式，在美、加與歐洲已有幾十年的應(yīng)用歷史，應(yīng)用范圍涉及空調(diào)、采暖、生活熱水供應(yīng)及一些工業(yè)和工程上的冷熱源提供，被美國(guó)能源部與環(huán)保署共同認(rèn)為是當(dāng)今世界上最高效，最環(huán)保清潔的供暖與空調(diào)技術(shù)。隨著常規(guī)能源資源的日趨減少和人們對(duì)節(jié)能、環(huán)保要求的不斷提高，地源熱泵技術(shù)將在我國(guó)的采暖空調(diào)等行業(yè)有較大的應(yīng)用和發(fā)展。

1. 地源熱泵技術(shù)的工作原理

1.1 地源熱泵的分類(lèi)。根據(jù)地?zé)嵩吹姆N類(lèi)和方式不同，地源熱泵可分為以下三類(lèi)：

（1）土壤源熱泵土壤源熱源（也叫大地耦合式熱泵）以大地作為熱源，熱泵的換熱器埋于地下，與大地進(jìn)行冷熱交換。土壤源熱泵系統(tǒng)主機(jī)通常采用水——水或熱泵機(jī)組或水——?dú)鉄岜脵C(jī)組。根據(jù)地下熱交換器的布置形式，主要分為垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三類(lèi)。

（2）地下水熱泵系統(tǒng)地下水熱泵系統(tǒng)，是一種以水體為低位熱源，利用地下水式水源熱泵機(jī)組為空調(diào)系統(tǒng)制備與提供冷/熱水，再通過(guò)空調(diào)末端設(shè)備實(shí)現(xiàn)房間空氣調(diào)節(jié)的系統(tǒng)形式。地下水熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是造價(jià)要比土壤源熱泵系統(tǒng)低，另外水井很緊湊，不占什么場(chǎng)地，技術(shù)也相對(duì)比較成熟，水井承包商也容易找。但存在其劣勢(shì)就在于：有些地方法規(guī)禁止抽取或回灌地下水；可供的地下水有限；如水質(zhì)不好或打井不合格要注意水處理；如泵選擇過(guò)大、控制不良或水井與建筑偏遠(yuǎn)，泵耗能就會(huì)過(guò)大。

（3）地表水熱泵系統(tǒng)地表水熱泵系統(tǒng)主要有開(kāi)路和閉路系統(tǒng)。地表水熱泵系統(tǒng)具有相對(duì)造價(jià)低廉、泵耗能低、維修率低以及運(yùn)行費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)。在寒冷地區(qū)，開(kāi)路系統(tǒng)并不適用，只能采用閉路系統(tǒng)。但是，在公共用的河水中，管道或水中的其他設(shè)備容易受到損害。另外，如果湖泊過(guò)小或過(guò)淺，湖泊的溫度會(huì)隨著室外氣候發(fā)生較大的變化，這就會(huì)產(chǎn)生效率降低，制冷或供熱能力降低的后果。

1.2 地源熱泵的工作原理。地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)主要分三部分：室外地能換熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組和室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)。工作原理就是在地下埋設(shè)管道作為換熱器，管道與熱泵機(jī)組連接形成閉式環(huán)路，管道中有液體流動(dòng)通過(guò)循環(huán)將熱泵機(jī)組的凝結(jié)熱通過(guò)管道散入地下（供冷工況），或從大地吸取熱量供給熱泵機(jī)組向建筑物供熱（供熱工況）。其中水源熱泵機(jī)主要有兩種形式：水——水式或水——空氣式。三個(gè)系統(tǒng)之間靠水或空氣換熱介質(zhì)進(jìn)行熱量的傳遞，水源熱泵與地能之間換熱介質(zhì)為水，與建筑物空調(diào)末端換熱介質(zhì)可以是水或空氣，系統(tǒng)的關(guān)鍵是大地?fù)Q熱器的設(shè)計(jì)和施工。

2. 地源熱泵技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 地源熱泵是清潔的可再生能源利用技術(shù)。地表淺層土壤和水體是一個(gè)巨大的太陽(yáng)集熱器，同時(shí)地球深部的熱能也會(huì)通過(guò)地表向大氣層散失。人類(lèi)每年消耗的全部能量，只是地表吸收和散發(fā)的太陽(yáng)能和地?zé)崮艿臉O小的一部分。地表能量被利用后，可由太陽(yáng)能和地球深部傳導(dǎo)上來(lái)的熱量很快平衡，不會(huì)對(duì)自然界的能量系統(tǒng)造成不良影響。因此淺層地表能量是一個(gè)取之不盡的可再生清潔能源庫(kù)。

2.2 高效、節(jié)能，運(yùn)行費(fèi)用低。地下土壤或水體溫度冬季比環(huán)境溫度高，夏季比環(huán)境溫度低，且始終保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)。由于這一特點(diǎn)，地源熱泵機(jī)組的運(yùn)行能效比或性能系數(shù)上升。美國(guó)環(huán)保署估計(jì)，設(shè)計(jì)安裝良好的地源熱泵，平均來(lái)說(shuō)可以比常規(guī)空調(diào)節(jié)約40%～ 50%的運(yùn)行費(fèi)用。

2.3 一機(jī)多用運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。地源熱泵系統(tǒng)可供暖、制冷和提供生活熱水，對(duì)于同時(shí)需求供暖、供冷的建筑，地源熱泵一套系統(tǒng)就可同時(shí)解決，節(jié)省了建筑的配套建設(shè)費(fèi)用和配套設(shè)施占用面積，從而也增加了經(jīng)濟(jì)性。

2.4 運(yùn)行穩(wěn)定可靠，壽命長(zhǎng)。由于土壤或水體的溫度較為穩(wěn)定，無(wú)論是寒冬還是酷暑，機(jī)組都在較為穩(wěn)定的工況下運(yùn)行，保證了機(jī)組的高效性，并有利于延長(zhǎng)其使用壽命。通常，地下埋管部分的使用壽命可長(zhǎng)達(dá)50 年，熱泵機(jī)組的壽命可達(dá)20年以上。

2.5 與空氣源熱泵相比，地源熱泵性能不受空氣溫度變化的影響，冬季不存在除霜問(wèn)題，采用地源熱泵中央空調(diào)的建筑，室內(nèi)溫度穩(wěn)定，并因運(yùn)行費(fèi)用低，設(shè)計(jì)上可加大新風(fēng)量，保證室內(nèi)的舒適度。

2.6 系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用低。地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，地下或室外部分幾乎不需維護(hù)，室內(nèi)部分的維護(hù)只需普通的制冷空調(diào)工即可勝任。

2.7 可實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制，便于物業(yè)管理。區(qū)域控制最大的優(yōu)點(diǎn)是，各區(qū)域機(jī)組可在同一時(shí)刻各自獨(dú)立進(jìn)行制冷或制熱運(yùn)行，避免能源浪費(fèi)，充分體現(xiàn)地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性和舒適性。

2.8 結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省機(jī)房面積。不需大型冷凍機(jī)房和鍋爐房，不需冷卻塔，不影響建筑美觀。小規(guī)格機(jī)組形式多樣，可直接安裝在室內(nèi)，與室內(nèi)裝修融為一體。

3. 地源熱泵的工程設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 關(guān)于地下水源開(kāi)采、回灌和土壤換熱器的比較。

（1）近幾年來(lái)地源熱泵的部分形式是地下水源開(kāi)采——回灌形式的水源熱泵系統(tǒng)。這種形式面臨的最大問(wèn)題是回灌問(wèn)題。華北、華東地區(qū)的地下水位下降，地面沉降問(wèn)題一直很?chē)?yán)重，多年來(lái)面臨嚴(yán)重的地沉問(wèn)題，在利用向地下回灌來(lái)控制地面沉降的技術(shù)已用多年，積累了很多經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

（2）地源熱泵土壤換熱器有多種形式，如水平埋管，豎直埋管等。這兩種埋管型式各有自身的特點(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境，在中國(guó)采用豎直埋管更顯示出其優(yōu)越性。節(jié)約用地面積，換熱性能好，可安裝在建筑物基礎(chǔ)、道路、綠地、廣場(chǎng)、操場(chǎng)等下面而不影響上部的使用功能，甚至可在建筑物樁基中設(shè)置埋管，見(jiàn)縫插針充分利用可利用的土地面積。

（3）采用豎直埋管的土壤換熱器形式，不用開(kāi)采和回灌地下水，沒(méi)有破壞自然環(huán)境的擔(dān)憂(yōu)。另外的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定、安全，沒(méi)有需要更新和維修潛水泵的煩惱。

3.2 冬季避免采用防凍液介質(zhì)。很多資料中介紹了防凍液的種類(lèi)、性能等。在我國(guó)華北及以南區(qū)域，因?yàn)榈叵聹囟炔皇呛艿停灰O(shè)計(jì)足夠的土壤換熱器數(shù)量，可以在使用水作為介質(zhì)的情況下滿(mǎn)足需要。盡量不使用防凍液，避免使用不慎造成環(huán)境問(wèn)題和因溫度太低降低熱泵效率。

3.3 系統(tǒng)的管材必需采用高強(qiáng)度惰性材料。土壤換熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)要保證水系統(tǒng)平衡，避免采用室外閥門(mén)調(diào)節(jié)的方式。

3.4 關(guān)于豎直埋管埋設(shè)。單U 型或雙U 型管的問(wèn)題從工程實(shí)踐中看，總體來(lái)說(shuō)單U型管方式優(yōu)于雙U型管方式，但是同樣的換熱量單U 型管需要更多的孔數(shù)而增加了建設(shè)成本。

3.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)討論。關(guān)于（冷）熱源側(cè)水流量，要由最大得熱量和最大釋熱量確定的。埋管中水流速的選取取決于埋管循環(huán)流程長(zhǎng)度，埋管材料，管徑大小，當(dāng)?shù)氐卦礂l件以及機(jī)組的特性要求。一般，如提高水流速度可適當(dāng)增加換熱系數(shù)，強(qiáng)化換熱量，減小換熱面積和換熱管的耗材，但流速太快會(huì)增加循環(huán)水泵能量消耗。一般可取流速為0.65~1.5m/s。具體可當(dāng)?shù)貤l件進(jìn)行優(yōu)化分析與設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)其復(fù)合能耗與埋管長(zhǎng)度、埋管材料、管徑、地源溫度、地源熱指標(biāo)、機(jī)組特性等因素有關(guān)。在機(jī)組選擇上，設(shè)定地埋管進(jìn)水溫度，根據(jù)測(cè)井測(cè)出的進(jìn)出水溫差推算出地埋管出水溫度，進(jìn)而確定熱泵機(jī)組冬季的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度。總之，我國(guó)幅員遼闊，在不同地區(qū)氣候條件差異很大，其負(fù)荷也迥然不同。因此不能照搬國(guó)外的技術(shù)成果，而要開(kāi)發(fā)適合我國(guó)氣候特點(diǎn)的技術(shù)。

4. 結(jié)語(yǔ)

總之，開(kāi)源節(jié)流，尤其是開(kāi)發(fā)各種可再生新能源將是我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。我國(guó)地域?qū)拸V，蘊(yùn)藏著豐富的地表淺層地能資源，因地制宜地采取不同形式的地源熱泵技術(shù)可以有效地提高低溫地?zé)豳Y源，同時(shí)克服傳統(tǒng)暖通空調(diào)技術(shù)的局限和不足，是非常有意和具有實(shí)際價(jià)值的，在節(jié)約能源、防治環(huán)境污染和城市現(xiàn)代化方面有著較大的意義。



參考文獻(xiàn)

［1］ 馬宏權(quán)，龍惟定. 世博園區(qū)江水源熱泵技術(shù)應(yīng)用［J］. 建設(shè)科技.2010（12）.

［2］ 樊玉杰，吳建華，張方方，方肇洪. 地源熱泵與太陽(yáng)能供熱空調(diào)復(fù)合系統(tǒng)的工程應(yīng)用［J］.中國(guó)建設(shè)信息供熱制冷.2010（03）.

［3］ 袁龍，淺層地?zé)崮芤I(lǐng)節(jié)能新潮流［J］. 中國(guó)建設(shè)信息供熱制冷.2010（02）.

［4］ 陳昌富，吳曉寒，王陳棟. 地埋管地源熱泵系統(tǒng)及存在問(wèn)題分析［J］. 探礦工程（巖土鉆掘工程）.2009（10）.



［文章編號(hào)］1619-2737（2014）05-19-784

endprint