地源热泵及其优越性

2010-08-15李琼

山西建筑 2010年19期

李琼

随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和制冷已成为普遍的需求。随着空调工业的发展，先进的中央空调系统不断的出现，空调在现代建筑中扮演着越来越重要的角色。近年来，随着国际经济技术合作的不断深入，地源热泵中央空调系统进入我国，由于其节能、环保、灵活、舒适的优越性，并通过在工程中的成功运用得到了空调界人士的认可和推崇。美国环境保护局已经宣布，地源热泵系统是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。

1 地源热泵的定义及工作原理

地源热泵是热泵的一种，它包括了使用土壤、地下水和地表水作为热源和冷源的系统。在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽—液转化的循环。通过冷媒/空气热交换器内冷媒的蒸发将室内空气循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过冷媒—空气热交换器，以冷风的形式为房供冷;在制热状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过四通阀将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地下水或土壤里的热量，通过冷媒/水热交换器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/空气热交换器内冷媒的冷凝，由空气循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，以强制对流、自然对流或辐射的形式向室内供暖。

2 地源热泵的发展及现状

“地源热泵”的概念最早于1912年由瑞士的专家提出，而该技术的提出始于英、美两国。

1946年美国在俄勒冈州的波兰特市中心区建成第一个地源热泵系统。但是这种能源的利用方式没有引起当时社会各界的广泛注意，无论是在技术、理论上都没有太大的发展。

20世纪50年代，欧洲开始了研究地源热泵的第一次高潮，但由于当时的能源价格低，这种系统并不经济，因而未得到推广。直到20世纪70年代初世界上出现了第一次能源危机，它才开始受到重视，许多公司开始了地源热泵的研究、生产和安装。这一时期，欧洲建立了很多水平埋管式土壤源地源热泵，主要用于冬季供暖。虽然欧洲是世界上发展地源热泵最成熟的地区，但是它也曾因为地源热泵专家不懂安装技术，安装工人又不懂地源热泵原理等因素，致使地源热泵的发展走了一段弯路。

随着科技的进步，关于能源消耗和环境污染的法律制订越来越严格，地源热泵的发展迎来了它的另一次高潮。欧洲国家以瑞士、瑞典和奥地利等国家为代表，大力推广地源热泵供暖和制冷技术。政府采取了相应的补贴政策和保护政策，使得地源热泵生产和使用范围迅速扩大。20世纪80年代后期，地源热泵技术已经趋于成熟，更多的科学家致力于地下系统的研究，努力提高热吸收和热传导效率，同时越来越重视环境的影响问题。地源热泵生产呈现逐年上升趋势，瑞士和瑞典的年递增率超过10%。美国的地源热泵生产和推广速度很快，技术产生了飞速的发展，成为世界上地源热泵生产和使用的头号大国。

国家建设部在《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中专门作了推荐。从2006年开始，国家分别将三个城市作为地源热泵试点城市，分别是北京、天津、沈阳，大力发展地源热泵。国家努力引导发展地源热泵，国家的一些政府部门的建筑，学校，医院等都进行了地源热泵改造。在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的25%～30%。我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃烧产生的大量污染物，包括大量SO2，NOx等有害气体以及CO2等温室效应气体。大量燃烧矿物燃料所产生的环境问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点。我国的供热已经历了一家一户的小煤炉到燃煤锅炉的转变。现在又进一步禁止在城镇建设中小型燃煤锅炉房，体现了政府对保护大气环境的高度重视。因此，除了集中供热的形式以外，急需发展其他的替代供热方式。地源热泵就是能有效节省能源、减少大气污染和CO2排放的供热和空调新技术。

3 地源热泵及其优越性

3.1 地源热泵的分类

1)地下水热泵系统，也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。通过建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井群灌回地下。2)水平埋管地源热泵系统和垂直埋管地源热泵系统。这两种方式都归属于地下耦合热泵系统，也称埋管式土壤源热泵系统。还有另外一个术语叫地下热交换器地源热泵系统。这一闭式系统方式通过中间介质(通常为水或者是加入防冻剂的水)作为热载体，使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。3)地表水热泵系统。通过直接抽取或者间接换热的方式，利用包括江水、河水、湖水、水库水以及海水作为热泵冷热源。归属于水源热泵方式。4)单井换热热井，也就是单管型垂直埋管地源热泵，在国外常称为“热井”。这种方式下，在地下水位以上用钢套作为护套，直径和孔径一致;地下水位以下为自然孔洞，不加任何固井设施。热泵机组出水直接在孔洞上部进入，其中一部分在地下水位以下进入周边岩土换热，其余部分在边壁处与岩土换热。换热后的流体在孔洞底部通过埋至底部的回水管被抽取作为热泵机组供水。这一方式主要应用于岩石地层，典型孔径为150 mm，孔深450 m。

3.2 地源热泵的优越性

3.2.1 节能、高效性

地源热泵系统在提供100单位能量时，70%的能量来源于土壤，30%的能量来自电力，电能的消耗主要用于压缩机的做功和使空调系统运行，即将土壤中的热量“搬运”至室内。它要比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比燃料锅炉节省1/2以上的能量;由于土壤的温度全年较为稳定，一般为10℃～20℃之间，其制冷、制热系数可达3.5～4.7，与传统的空气源热泵相比，能效要高出40%以上。

3.2.2 环保无污染

地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，如果结合其他节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25%的充灌量;属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此，制冷剂泄漏几率大为减少。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内。

3.2.3 属可再生能源利用技术

地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于400 m深)作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源的一种形式。

3.2.4 低运行费用

地源热泵系统的高效节能特点，决定了它的低运行费用，比其他各种采暖和制冷设备节能30%～70%。使用寿命50年以上，折旧费和维修费也都大大低于传统空调。

3.2.5 应用灵活、安全可靠、用途广泛

灵活性强，可用于新建工程或扩建、改建工程，可逐步分期施工，热泵机组可灵活地安置在任何地方，节约空间。无储煤、储油罐等卫生及安全隐患。从严寒地区至热带地区均适用。可为各类建筑物提供冷暖两用空调系统，同时提供生活热水。