地源熱泵的應(yīng)用與技術(shù)性分析

劉孝剛

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島 125000）

0 引言

隨著制冷與空調(diào)工業(yè)的發(fā)展，中央空調(diào)系統(tǒng)也在不斷地更新與改進。其中，地源熱泵應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)中的設(shè)計理念逐步被空調(diào)行業(yè)人士認可，成為了工程設(shè)計人員優(yōu)先考慮的設(shè)計方案，它具有節(jié)能環(huán)保和舒適靈活等特點，逐步成為了家用中央空調(diào)市場發(fā)展的主要趨勢。由于地源熱泵本身的特殊性，如何將地源熱泵系統(tǒng)更好地應(yīng)用于各類空調(diào)系統(tǒng)中是工程技術(shù)人員設(shè)計的重點。

1 地源熱泵

地源熱泵是通過輸入一定的電能來驅(qū)動壓縮機,向機房系統(tǒng)內(nèi)的熱泵機組做功，使機組中的介質(zhì)發(fā)生反復(fù)物理相變過程。同時伴隨室內(nèi)外換熱器蒸發(fā)吸熱和冷凝放熱現(xiàn)象，從而產(chǎn)生冷量和熱量。通過室內(nèi)換熱器和室外換熱器實現(xiàn)空間上的熱量交換和傳遞轉(zhuǎn)移。由于通過少量的電力驅(qū)動就可以實現(xiàn)低位熱能向高位熱能的轉(zhuǎn)移，使得地源熱泵的能耗比相對較低，同時，地源熱泵可以在冬季和夏季向用戶單元提供制冷與供熱。地源熱泵的最大特點是冬夏季兩個季節(jié)可以利用土壤本身的熱量進行制冷和制熱，在冬季，地源熱泵機組把土壤中的熱量提取出來，經(jīng)過機組做功提高溫度后供給室內(nèi)用于用戶的采暖；在夏季，地源熱泵機組把室內(nèi)的熱量釋放出來，將熱量釋放到土壤中去，還可保證地下溫度的均衡。

2 常用空調(diào)系統(tǒng)方案的介紹

2.1 冷水機組與燃氣鍋爐結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)

冷水機組與燃氣鍋爐結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)一般采用電制冷蒸汽壓縮式冷水機，包括活塞式冷水機組和螺桿式冷水機組。在夏季，通過電力驅(qū)動蒸汽壓縮式冷水機組為用戶提供冷源；在冬季，由燃氣鍋爐提供的0.5 MPa的過熱蒸汽通過換熱器進行熱量交換，然后對用戶進行空調(diào)的供暖。對于大型中央空調(diào)系統(tǒng)，室內(nèi)機組采用風機盤管或風機盤管加新風系統(tǒng)，如果條件允許，還可以采用全空氣處理空調(diào)系統(tǒng)。冷水機組與燃氣鍋爐結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)一般采用兩套水換熱器，包括冷凝器和蒸發(fā)器，冷凝器采用水冷冷凝器，冷卻水通過冷卻塔來冷卻主機的冷凝器，產(chǎn)生的冷凍水通過蒸發(fā)器為用戶的室內(nèi)末端設(shè)備（如風機盤管）提供冷凍水。冷水機組與燃氣鍋爐結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)機組的特點是夏季空調(diào)機組只能制冷，冬季的采暖需要熱源提供，與冷水機組無關(guān)。

2.2 風冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)

風冷冷水熱泵空調(diào)系統(tǒng)與水冷機組空調(diào)系統(tǒng)的區(qū)別在于冷凝器的冷卻方式不同，它是一種需消耗少量的電能，利用當?shù)氐氖彝猸h(huán)境，充分利用空氣中的熱能資源來冷卻的冷凝器。其通過風冷冷水熱泵系統(tǒng)制取冷熱水供給空調(diào)空間使用的冷熱量，比冷水機組節(jié)能。受自然條件的限制，尤其對于缺水地區(qū)，風冷冷水熱泵空調(diào)系統(tǒng)得到了普遍應(yīng)用，它往往能取代傳統(tǒng)的空調(diào)方式，并能取得良好的制冷效果，風冷冷水熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以為用戶進行夏季制冷和冬季采暖，冷暖兩用，應(yīng)用比較廣泛。

2.3 地源熱泵空調(diào)機組

地源熱泵在空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。首先，它是一種利用回熱循環(huán)的空調(diào)系統(tǒng)，它可以從建筑物內(nèi)區(qū)回收熱量用于外區(qū)，并且可以實現(xiàn)同時制冷和供熱，從而使系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)能量平衡。其次，地源熱泵可以減少冷卻塔和加熱設(shè)備的運行時間，達到節(jié)能的目的。其中，水環(huán)熱泵系統(tǒng)設(shè)備可以分散布置，一般不需要集中的制冷機房和空調(diào)機房，節(jié)省了機房占地面積。在家用中央空調(diào)系統(tǒng)中，地源熱泵的優(yōu)勢是只需安裝水管，管路簡單、安裝方便，運行費用低，可以節(jié)約大量能源，是今后戶式中央空調(diào)的發(fā)展趨勢。

地源熱泵可以在冬季和夏季向用戶單元提供制冷與供熱。在夏季，大多數(shù)地源熱泵機組向用戶提供冷量，熱量通過冷凝器冷卻后，冷卻水由冷卻塔進行冷卻，蒸發(fā)器中的冷凍水供入用戶進行制冷，水環(huán)路溫度一般保持在32℃以下。在冬季，地源熱泵供熱時，由鍋爐等加熱設(shè)備進行加熱，水環(huán)路溫度一般保持在16℃以上。春秋兩季地源熱泵運轉(zhuǎn)時，當用戶有40%的供冷和60%的供熱時，地源熱泵系統(tǒng)的冷熱源供給將趨于平衡，無需開啟加熱設(shè)備或冷卻設(shè)備，系統(tǒng)水溫可以保持在16～32℃間，為用戶節(jié)約了大量電能。

2.4 一戶一機回灌式地源熱泵

當前，工程實踐常用的地源熱泵形式為一戶一機回灌式地源熱泵機組，該系統(tǒng)原理如圖1所示，地源熱泵系統(tǒng)在制冷與熱狀態(tài)下，機組內(nèi)的壓縮機對冷媒做功，并通過四通閥將冷媒流動方向換向。由室外地能換熱系統(tǒng)通過地下埋管吸收地下水或土壤里的熱量，通過地源熱泵機組系統(tǒng)內(nèi)冷媒的蒸發(fā)，將水路循環(huán)中的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時再通過冷媒/室內(nèi)熱交換器內(nèi)冷媒的冷凝，由空氣循環(huán)將冷媒所攜帶的熱量吸收，由室內(nèi)的風機盤管將冷媒的熱量釋放到房間中。在地下的熱量不斷轉(zhuǎn)移至室內(nèi)的過程中，完成系統(tǒng)對家用中央空調(diào)的制冷與供熱。如果靠近地下水資源豐富的地區(qū)，也可以選用水井作為地能資源。

圖1 一戶一機回灌式地源熱泵系統(tǒng)原理圖

3 3種方案的比較分析

以遼寧葫蘆島地區(qū)一棟800 m2的別墅（共層）為例，對采用多種制冷方式的運行費用進行了分析比對，如表1所示。

表1 多種制冷方式分析

通過分析比對，水冷機組方案雖然初投資少，夏季制冷費用低，但在冬季運行維護成本高；冷卻塔的冷卻水系統(tǒng)增加了施工難度，一般還要設(shè)置冷水機組機房；風冷熱泵系統(tǒng)投資略高，運行費用略高，冬季運行成本高，考慮到其從空氣中吸取熱能，有利于環(huán)境保護；地源熱泵機組雖然投資略高但每平方運行成本低，較其他方案可節(jié)約25%～35%的運行成本，適用于家庭戶式中央空調(diào)。

地源熱泵的供熱系數(shù)和制冷系數(shù)高，輸入1 kW的電能可以產(chǎn)生4.2 kW的熱量，運行費用低，比冷水機組和風冷熱泵機組便宜。地源熱泵機組利用地下土壤或地下水等地熱資源，無需能耗，地熱資源可以占據(jù)總熱量的72%～76%。在工程實踐中，特別對于家用戶式中央空調(diào)，應(yīng)首選地源熱泵系統(tǒng)，雖然初投資略高，但從經(jīng)濟性和技術(shù)性方面考慮，其節(jié)能性和穩(wěn)定性還是相對較高，可以大力推廣。

4 結(jié)語

通過3種方案的分析比對可以看出，地源熱泵具有高效、節(jié)能等優(yōu)點,地源熱泵可以充分發(fā)揮地下蓄能的優(yōu)點，在夏熱冬冷的東北地區(qū)很適宜使用，東北地區(qū)可以大力發(fā)展地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)，在改善當?shù)厝嗣竦木幼…h(huán)境的同時，還可以節(jié)能環(huán)保。因此，地源熱泵在東北地區(qū)將有著廣闊的發(fā)展前景。

［1］ 殷平．地源熱泵在中國［J］．現(xiàn)代空調(diào)，2001（8）：1-8．

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［4］ 刁永飛，伍貽文，張小力．地源熱泵的優(yōu)越性及前景展望［J］．能源研究與信息，2002（1）：33-37．