住宅中地源熱泵空調系統(tǒng)的應用

屈高陽

【摘要】隨著生活水平的提高，人們對生活環(huán)境，生活質量的要求越來越高，地熱泵空調系統(tǒng)在建筑界的使用隨之而生，并有著高效節(jié)能、穩(wěn)定可靠，維護費用低，無環(huán)境污染等多方面優(yōu)點，在眾多使用人群中，住宅用戶占市場比例中的一大部分，本文從住宅的角度出發(fā)，研究地源熱泵空調系統(tǒng)在住宅中的應用原理，優(yōu)缺點以及未來的發(fā)展前景。

【關鍵詞】住宅；地源熱泵空調系統(tǒng)原理；優(yōu)缺點；發(fā)展前景

一、地源熱泵空調系統(tǒng)的工作機制

（一）地熱源泵空調系統(tǒng)的含義與工作原理

熱泵中包括一種新型能源利用技術，即地源熱泵空調系統(tǒng)，其工作能量是利用淺層地能實現(xiàn)制冷供熱，是一種熱泵式的設備，它可以實現(xiàn)冷量和熱量之間的轉換是依賴卡諾循環(huán)原理和逆卡諾循環(huán)原理。地源熱泵通俗的說是將土壤中的冷量和熱量轉移，主要目的在于實現(xiàn)空調制冷和采暖。地熱源泵一個年度還能形成一個冷熱循環(huán)，土壤內蘊含巨大的儲冷儲熱能力，夏季建筑物所使用的冷量來源于地下，冬季地源將熱量由地下轉入建筑物供人利用，如此循環(huán)往復。

（二）地源熱泵空調系統(tǒng)在住宅中的應用機制

1.地源熱泵空調系統(tǒng)的制冷模式在居住環(huán)境中的應用

地源熱泵機組的內部裝有壓縮機裝置，它可以通過對冷媒作用使機組處于制冷狀態(tài)，促進氣體與液體之間的轉化與循環(huán)，風機盤管循環(huán)所產生的熱量被冷媒吸收，加快蒸發(fā)器內冷媒的蒸發(fā)，冷媒循環(huán)工作和冷凝器當中的冷媒凝結一同作用，隨后冷媒所產生的熱量由水路循環(huán)帶向地水、地下水和土壤當中等。經過風機盤管將室內熱量向地下水中傳遞的過程中，房間供冷溫度以13℃最適宜。

2.地源熱泵供暖模式在住宅環(huán)境下的應用

當?shù)卦礋岜脵C組處于供暖狀態(tài)時，調整換向閥可改變冷媒流動方向，此時壓縮機對冷媒做功。來自于地下的水路循環(huán)可以吸收土壤里、地表水、地下水中部分熱量，利用冷凝器內冷媒蒸發(fā)的工作原理，將水路循環(huán)的產熱融入冷媒中，冷媒循環(huán)工作時，蒸發(fā)器內的冷媒冷凝就可對風機盤管循環(huán)的產熱進行吸收。所以，地下熱量被永不停歇的輸入室內，室溫熱風超過35℃，為房間提供暖源。

二、住宅中地源熱泵空調系統(tǒng)工作原理的利弊

（一）住宅中地源熱泵空調系統(tǒng)工作原理的益處

1.可再生資源

地源熱泵的工作機制是能夠進行能量轉換的制冷供暖的空調系統(tǒng)，它利用地球所儲的太陽能資源為冷熱源，充分利用可再生清潔能源技術。地表土壤和水體形成一個天然巨大的太陽能集熱器，它可以收集來自于太陽能輻射量能量的500倍以上，地源熱泵還是一個巨大的動態(tài)平衡系統(tǒng)，地表土壤和水體共同維持能量接受與散發(fā)的平衡，其所儲存的巨大的太陽能與地能是地源熱泵技術的能源保障。

2.高效節(jié)能性

地源熱泵機組的工作溫度高于環(huán)境空氣溫度，相比而言，地源熱泵機組在冬季可利用土壤或水體的溫度范圍為12-22℃，地源-熱泵循環(huán)系統(tǒng)中能效隨著蒸發(fā)溫度的提高而上升；機組在夏季可利用土壤或水體溫度的范圍為18-32℃，空氣溫度相比低于環(huán)境空氣溫度，制冷系統(tǒng)的冷凝溫度也逐步降低，風冷式與冷卻塔式制冷效果與效率明顯低于地源熱泵式，因此也節(jié)省了30%-40%的費用。投入1KW的電能可獲得四倍以上的熱能或冷量。

3.環(huán)境和經濟效益提高

地源熱泵機組運行的過程中，具有耗水少、不污染水、不需要鍋爐、冷卻塔、還可以節(jié)約堆放燃料廢物的場地，大大提高了環(huán)保效益。另一方面，土壤源地源熱泵系統(tǒng)遭到廢棄時，地下的熱交換管道難以取出處理，因此造成打井區(qū)域的地下污染，地源熱泵機組在電力消耗方面比空氣源熱泵少40%以上，比電供暖少70%以上，其制熱系統(tǒng)將燃氣鍋爐效率提升50%左右，高出燃油爐效率的75%。

4.一機多用，變通力強

地源熱泵系統(tǒng)在生產生活中可提供制冷供暖和生活熱水，一機多種功能，整套系統(tǒng)是鍋爐和空調兩個系統(tǒng)功能的地源熱泵系統(tǒng)對要求同時要求具有供熱和供冷功能的建筑物頗具優(yōu)勢，節(jié)省能源的同時也減少了設備的初投資。地源熱泵系統(tǒng)可適應于賓館，居住小區(qū)，公寓，廠房，商場，辦公樓等建筑地區(qū)，小型地源熱泵系統(tǒng)也可為別墅住宅提供制冷，供熱方便。

5.自動運行

地源熱泵系統(tǒng)的工況穩(wěn)定，因此其設計較為簡單劃一；機組運行平穩(wěn)，售后維護費用少；可操控性強，壽命長。

（二）住宅中地源熱泵空調系統(tǒng)的工作原理及弊端

事物具有兩面性，地源熱泵系統(tǒng)受到來自不同地區(qū)以及不同用戶，不同國家的能源政策和燃料價格變動等因素的影響，在實際工作中也表現(xiàn)出部分缺點；一次性投資及運營費根據(jù)用戶不同而有所差異；常年開采地下水，地源熱泵系統(tǒng)會受到地下水水資源的制約，地源熱泵系統(tǒng)使用過的地下水可以二次回收灌溉，對水體無害。

地源熱泵技術在實際應用中面臨的問題是“土壤熱不平衡”。南方地區(qū)一年四季多為供冷，熱量多注入地下；北方地區(qū)冬季供暖需求增大，熱量多來源于土壤，長此以往，土壤溫度逐漸失衡，生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞。夏熱冬暖地區(qū)對夏季需供冷量大于冬季供熱量，其他熱量經由冷卻塔冷卻，少部分進入余熱回收系統(tǒng)用于生活供水，這對緩解土壤熱不平衡問題大有裨益。

三、與其他制冷供熱系統(tǒng)相比，地源熱泵空調系統(tǒng)在住宅中應用的優(yōu)點

地源熱泵機組在冬季可以利用土壤或者水體溫度范圍為12-22℃，其溫度較大于環(huán)境空氣溫度，熱泵循環(huán)的能效隨蒸發(fā)溫度的提升而逐步增加；熱泵機組在夏季可利用土壤或者水體溫度范圍為18-32℃，比環(huán)境空氣溫度稍低，機組制冷系統(tǒng)的冷凝溫度的降低使其制冷優(yōu)勢大于風冷式和冷卻塔式，節(jié)省了30%-40%的供熱制冷經費，1kw的電能至少可得到4-5kw以上的供暖制冷能量。地源熱泵系統(tǒng)相比較傳統(tǒng)鍋爐（電與燃料）的供熱系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)鍋爐的供熱系統(tǒng)可轉化的熱能僅為全部電能的90%或燃料內能的70%-90%，投入用戶供暖和制冷當中，這節(jié)省了電鍋爐加熱三分之二的電能以及二分之一左右的燃料鍋爐能量，地源熱泵系統(tǒng)在全年的溫度大約恒定在10-25℃，制冷與制熱系數(shù)高達3.5-4.4，高出傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)40%，運行經費也僅為普通中央空調的50%-60%。所以，科技發(fā)展的幾年來，地源熱泵空調系統(tǒng)在北美、中歐、北歐等多個國家取得顯著成效，而中國地源熱泵市場逐漸復蘇，預計在不遠的將來，地源熱泵技術將成為最有效最普遍的供暖制冷空調技術。

（一）地源熱泵系統(tǒng)與其他加熱制冷方式在能源消耗方面的比較：

加熱方式能源消耗百分比

地源熱泵 30%

柴油鍋爐 60%

液化氣 70%

電加熱 100%

通過比較可知，地源熱泵加熱系統(tǒng)是最節(jié)能減耗的。

（二）地源熱泵中央空調與傳統(tǒng)中央空調的優(yōu)勢區(qū)別

1.環(huán)境保護因素

根據(jù)土壤源熱泵系統(tǒng)的運行原理可知，土壤源熱泵系統(tǒng)屬于天然綠色環(huán)?？照{，無論是在冬季還是夏季運行，其對建筑外大氣環(huán)境的不良影響少之又少。普通中央空調系統(tǒng)所產生的廢熱或水蒸氣直接排向大氣，對環(huán)境造成嚴重污染。土壤源熱泵系統(tǒng)是以地球表面淺層地熱資源為冷熱源，這種利用清潔和可再生能源的方式是可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

2.運行效率

普通中央空調系統(tǒng)無論是在風冷熱泵機組還是在冷卻塔冷水機組的設置上，都受到來自外界天氣條件的制約，主機的供冷量、供熱量不足，難以滿足空調區(qū)的供冷或供熱需求，對夏熱冬冷地區(qū)的作用效果下降，運行效率降低。與之不同的是，地源熱泵機組與外界換熱的媒介是大地，大地溫度相對穩(wěn)定，受空氣影響小，因此，地源熱泵系統(tǒng)的運行效率高于普通中央空調系統(tǒng)。

3.經濟因素

地源熱泵系統(tǒng)集合了采暖、空調制冷和提供生活熱水的功能，整套系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)了供熱鍋爐和制冷空調以及生活用水加熱等系統(tǒng)，降低成本投入的同時，經濟又環(huán)保。

4.運行成本

地源熱泵系統(tǒng)的運行特點是有目共睹的：地源熱泵消耗1kw的能量，用戶在使用過程中可獲得4kw的冷量或者熱量，制冷制熱系數(shù)達到4以上，高出傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)能源利用率的40%以上，其花費也僅為傳統(tǒng)空調系統(tǒng)50%-60%。在相同制冷制熱效率下，地源熱泵主機的輸入功率相對較小，這對全年時間需要使用空調的場所，大大的降低了其運營成本。鍋爐的能源利用率一般為70%-90%，但是地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能總量達到了鍋爐加熱的三分之二，也是燃料鍋爐的一半左右。

四、住宅中地源熱泵空調系統(tǒng)的前景

“十二五”期間，我國通過地源熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)供暖制冷的總面積高達3.5億平方米，全部地熱能開發(fā)利用的市場規(guī)模將超過700億元。國家能源局等4部委對快速促進地熱能的開發(fā)與發(fā)展提出了指導意見（2013）48號至2015年，近年來，我國地熱能資源分布明確，因此建立完整的國家地熱能資源數(shù)據(jù)和信息服務體系迫在眉睫?，F(xiàn)今我國地熱供暖面積普及，已超過5億平方米，地熱的發(fā)電裝機容量也高達10萬千瓦，是2000萬噸標準煤的使用量，該系統(tǒng)是融合地熱能資源評價，開發(fā)與利用技術，產業(yè)服務等為一體的體系。至2020年以后，地熱能資源的利用量等于5000萬噸標準煤，地熱能產業(yè)開發(fā)技術和體系趨于完整。

參考文獻：

[1]哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室.理論力學[M].北京：高等教育出版社，2015.

[2]陸建瓴，地源熱泵中央空調節(jié)能控制的系統(tǒng)研究[J].民營科技.2015（09）：203-204.

[3]張臣，地源熱泵技術在現(xiàn)代特殊建筑領域中的科學應用[J].科技望.2015（27）：110-111.