地源熱泵的原理、特點與可行性分析

盧勇

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇　蘇州　215021）

地源熱泵的原理、特點與可行性分析

盧勇

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215021）

熱泵是消耗一定高品位能源（如電能），把能量從低溫物體或環(huán)境傳遞到高溫物體或環(huán)境的設(shè)備。為了順應(yīng)節(jié)能發(fā)展趨勢，地源熱泵技術(shù)近年來不斷被人們采用。文章對地源熱泵的工作原理、發(fā)展概況及特點作了簡要敘述，最后對地源熱泵從技術(shù)和經(jīng)濟兩個方面進行可行性分析。

地源熱泵；工作原理；可行性分析

一、地源熱泵工作原理

熱泵是消耗一定高品位能源（如電能），把能量從低溫物體或環(huán)境傳遞到高溫物體或環(huán)境的設(shè)備，如同水泵一樣，消耗電能可以將水從低處提升到高處。

地源熱泵也稱為地?zé)釤岜?，通過地源熱泵將環(huán)境中的地源能（土壤、地下水、地表水和低溫地?zé)崴龋┨崛〕鰜?，再通過中央空調(diào)換熱系統(tǒng)對建筑物供熱或者制冷。因為地層的保溫特性好，所以可以利用回灌技術(shù)將溫度較高的水夏灌冬用；同樣，將溫度較低的水冬灌夏用，具有一定節(jié)能效果。

地源熱泵的制冷放熱和制熱吸熱的最終的熱源均為地?zé)嵩矗ㄒ卜Q地能，包括地下水、土壤或地表水等）。由于地層的良好保溫性能，地?zé)嵩吹臏囟热贻^為穩(wěn)定，一般保持為20℃左右，這樣，制冷時放熱對象溫度低，制熱時吸熱對象溫度高，制冷時冷凝溫度低，制熱時蒸發(fā)溫度高，制冷或制熱的工作性能系數(shù)均可高達3.5至4.4，與一般中央空調(diào)相比，效率要提高40%左右。

地源熱泵制冷原理:制冷劑冷媒進行制冷循環(huán)，通過空氣熱交換器時，低溫低壓液態(tài)冷媒的蒸發(fā)將室內(nèi)循環(huán)空氣的熱量吸收，變?yōu)榈蜏氐蛪簹鈶B(tài)，經(jīng)壓縮機升溫升壓，具有放熱能力，通過水冷式冷凝器的冷卻冷凝，再由循環(huán)水路將冷媒中所攜帶的熱量吸收，最終通過室外地埋管換熱系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至地下水或土壤里。同時，經(jīng)冷凝器冷卻冷凝成為中溫高壓的液態(tài)冷媒經(jīng)過節(jié)流變?yōu)榈蜏氐蛪阂簯B(tài)冷媒，進入空氣熱交換器不斷再循環(huán)，這樣室內(nèi)熱量通過室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)、地源熱泵機組和室外地埋管換熱系統(tǒng)不斷轉(zhuǎn)移至地下土壤中，實現(xiàn)室內(nèi)制冷。

地源熱泵制熱原理:通過四通換向閥（也可以用四個電磁閥切換），將冷媒流動方向換向。這樣地下淺層地?zé)嵬ㄟ^室外地埋管換熱系統(tǒng)、地源熱泵機組和室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)，不斷轉(zhuǎn)移至室內(nèi)，實現(xiàn)室內(nèi)制熱。

二、地源熱泵的特點

（一）高效節(jié)能

地源熱泵主機能從地下水或土壤中獲取大量免費熱量，每消耗1度電就能產(chǎn)出3～5.5度電以上的熱量，其運行費用約為直接電能的25%，液化燃氣能的45%，燃油能的50%，天然氣能的60%，與燃煤能和太陽能制熱方式的運行成本基本持平；外界溫度越高，設(shè)備工作的時間越短，其節(jié)能的效果越突出。

1.各種熱源的熱值

生活中，常見的熱源有:電能、液化氣、天然氣、管道煤氣、柴油鍋爐、熱泵。表1列舉了常見能源的熱值。從表1中可見，熱泵的熱效率最高，達到450%。

2.運行成本比較

以15℃的冷水，加熱至55℃的熱水，需要40000千卡的熱量為例，常見熱源的成本見表2所示。其中熱泵的成本最低，只需要9.79元。

（二）清潔環(huán)保

與煤油、燃氣、燃煤熱水系統(tǒng)比較，地源熱泵系統(tǒng)不會向周圍環(huán)境排放二氧化碳、二氧化硫、氮化物等有毒有害污染物，不會產(chǎn)生溫室效應(yīng)和大氣污染，而且由于對能源消耗極低，可減少燃燒廢氣的產(chǎn)生，符合目前我國能源、環(huán)保的基本政策，將為國家和社會帶來最佳的綜合效益。

（三）安全可靠

與電熱水器相比，地源熱泵機組內(nèi)設(shè)有高壓保護、壓縮機過流過載保護、起動延時、水溫超高溫保護等多重安全保護，從根本上杜絕漏電、干燒、超高溫等安全隱患。與燃油、燃氣熱水器相比，機組不需燃料輸送管道，沒有燃料泄漏、火災(zāi)、爆炸等危險。

（四）制熱速度快

在20℃進水與單位時間相同能耗條件下，地源熱泵制熱速度是電熱水器的4倍，燃氣熱水器的3倍，太陽能熱水器的8倍（太陽能能量密度低，加熱時間長）。

（五）智能化控制

地源熱泵實現(xiàn)智能化控制，操作方便。地源熱泵由微電腦控制，自動起停，可多臺并聯(lián)組合使用，根據(jù)負荷變化調(diào)節(jié)開啟的臺數(shù)，控制靈活。

表1　各種熱源的熱值分析

（六）符合國家能源政策

國家政府對生命安全、環(huán)保、節(jié)能越來越重視，一大批設(shè)計不先進、安全可靠性達不到國家有關(guān)標準的空調(diào)將被淘汰，地源熱泵運用前景將更加看好。

三、地源熱泵的可行性分析

（一）地源熱泵技術(shù)可行性研究

在采用地埋管式熱泵系統(tǒng)時，要詳細了解建筑現(xiàn)場的可埋管面積、土壤條件，或向當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門咨詢獲取工程勘察資料。沒有的話要請專業(yè)人員進行必要的地質(zhì)勘察，并結(jié)合設(shè)計文本和施工圖紙，為打井埋管做好充分準備工作。通過方案可行性研究，確定利用地埋管的地源方案，并完成相應(yīng)施工組織設(shè)計。在采用水源式熱泵系統(tǒng)時，主要詳細了解建筑現(xiàn)場的水源情況，或向當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門咨詢獲取資料。沒有的話要請專業(yè)人員進行必要的水文地質(zhì)勘察，并結(jié)合設(shè)計文本和施工圖紙，了解是否有可用的水源，確定利用地下水還是地表水的供水水源方案，并完成相應(yīng)施工組織設(shè)計。

（二）地源熱泵經(jīng)濟可行性分析

地源熱泵系統(tǒng)可實現(xiàn)對建筑物的三聯(lián)供 （供熱和供冷及供生活熱水）。地源熱泵是高效節(jié)能環(huán)保的系統(tǒng)，屬可再生能源利用技術(shù)。地源熱泵從常溫土壤中吸熱或向其排熱，土壤中的能量永無枯竭，是一種可再生的清潔能源，可持續(xù)使用?？紤]到土壤熱污染換熱性能的惡化，現(xiàn)采用更加合理的混合式地源熱泵。制冷時，地源熱泵可將室內(nèi)熱量“搬運”到土壤中，制熱時，地源熱泵可將土壤中的熱量“搬運”到室內(nèi)，輸入1KW的電量可以得到5KW以上的制冷制熱量。至于運行費用，冬季一個運行季每平方米僅為14元左右，夏季一個運行季每平方米為8元左右，比常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)低50%。在系統(tǒng)節(jié)水省地方面也不用擔(dān)心，土壤為冷熱源，向其放出熱量或吸收熱量，充分利用埋管內(nèi)水循環(huán)，不會對地下水其造成污染；機房面積大大小于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，節(jié)省建筑空間；埋管可直接埋在車庫、地下停車場、花園、操場等下面，不占用使用面積；在供熱時，無燃燒和排煙，不需要堆放燃料廢物的場地，也不會產(chǎn)生城市熱島效應(yīng)。綜上所述，地源熱泵是節(jié)能環(huán)保，理想的綠色環(huán)保產(chǎn)品。

表3　地源熱泵空調(diào)與水環(huán)熱泵空調(diào)方式初投資及運行費用比較

表3、表4是基于華中地區(qū)實際，現(xiàn)行的價格體系對地源熱泵空調(diào)與傳統(tǒng)空調(diào)方式的初投資及運行費用指標的比較結(jié)果。需要說明的是，比較條件一是全年按7個月時間運行，其中夏季4個月，冬季3個月；二是電價按1.0元/度計，燃氣價按1.8元/m3；三是采用混合式地源熱泵（夏季加冷卻塔，冬季加輔助熱源），這樣可以降低工程初投資。

從表3、表4所知，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)年運行費用少，雖回收期長一點，但制冷制熱不受環(huán)境影響。尤其是地埋管熱泵系統(tǒng)，在冰雪天氣下，制熱效果更好。另外，由于冬天吸熱從溫度比較高的土壤吸熱，而夏天放熱給溫度比較低的土壤，使得制冷系數(shù)提高，且安全可靠穩(wěn)定，反映出地源熱泵的經(jīng)濟節(jié)能效果好。結(jié)合當(dāng)前節(jié)能環(huán)保發(fā)展趨勢，不難發(fā)現(xiàn)地源熱泵將大有前途。

表4　地源熱泵空調(diào)與水環(huán)熱泵空調(diào)方式年運行費用比較

［1］朱立.空氣調(diào)節(jié)技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［2］吳業(yè)正.制冷原理及設(shè)備［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2010.

［3］彭東升.制冷與空調(diào)作業(yè)（復(fù)訓(xùn)）［M］.徐州:中國礦業(yè)出版社，2006.

［4］鮑士雄.地源熱源，水環(huán)路水源熱泵之應(yīng)用［J］.工程建設(shè)與設(shè)計，2005（3）:5-7.

［5］中宇公司.產(chǎn)品使用說明書及培訓(xùn)資料［Z］.2007.

（編輯:林鋼）

An Analysis of the Principle，Characteristics and Feasibility of Ground Source Heat Pump

（Suzhou Institute of Trade and Commerce，Suzhou 215021，China）

A heat pump is a kind of equipment that consumes certain high-grade energy（such as electricity）to transfer the energy from low temperature objects or environment to high temperature objects or environment. To adapt to the energy saving trend，ground source heat pump technology has been continuously used by many people.The working principle，the historical development and the characteristics of the ground source heat pump are described，and the feasibility of the ground source heat pump is analyzed technically and economically.

ground source heat pump；working principle；feasibility analysis

TB 752+.22

A

1671-4806（2016）03-0093-04

2016-04-24

盧勇（1971—），男，江蘇蘇州人，講師，研究方向為空調(diào)工程。