浅谈地源热泵的应用

2011-08-15刘伟

山西建筑 2011年11期

刘伟

1 概述

随着我国建筑业的持续发展，对建筑节能的要求越来越高，而供热系统和空调系统是建筑能耗的主要部分。因此，设法减少这部分的能耗意义非常显著。地源热泵供热空调系统是一种可再生能源的高效节能环保型系统。地源热泵是一种利用地下浅层地热资源的、既可供热又可制冷并提供生活热水的节能环保的先进技术。通常，地源热泵消耗1度电的能量，用户可以得到相当于4度电左右的热量或冷量，其运行费用比传统产品低60%以上、寿命达25年以上，而且具有节省投资、独立计费、无人值守、维护费用较低等特点。采用热泵技术为建筑物供热或制冷可大大降低燃料消耗，不仅节能，还可以减少燃烧矿物燃料而引起的二氧化碳和其他污染物的排放。地源热泵空调系统正以其不可替代的优势，成为近年来世界再生能源利用及建筑节能领域中增长最快的产业之一。采用热泵技术在北美、欧洲等国已得到广泛的应用，目前在我国也得到了很好的发展。

2 地源热泵空调系统主要技术内容

地源热泵供暖空调技术就是通过热泵空调机组与末端设备与大地进行冷热交换，在冬季热泵机组将大地的低位热能提取出来对建筑物供暖，同时对大地蓄存冷量，以备夏季提取出向建筑物供冷用，在夏季热泵机组将建筑物内的热量转移到大地中，给建筑物室内降温，同时向大地蓄存了热量，以备冬季提取出向建筑物供暖用。

地源热泵系统分三种形式：土壤源热泵系统、地下水热泵系统和地表水热泵系统。

土壤源热泵系统的核心是土壤耦合地热交换器。土壤源热泵以大地作为热源和冷源，热泵的换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。土壤源热泵系统主机通常采用水—水热泵机组或水—气热泵机组。根据地下热交换器的布置形式，主要分为垂直埋管和水平埋管。地下水热泵系统分为开式、闭式两种：开式是将地下水直接供到热泵机组，再将井水回灌到地下;闭式是将地下不连接到板式换热器，需要二次换热。地表水热泵系统与土壤源热泵相似，用潜在水下并联的塑料管组成的地下水热交换器替代土壤交换器。虽然采用地下水、地表水的热泵系统的换热性能好，能耗低，性能系数高于土壤源热泵，但由于地下水、地表水并非到处可得，且水质也不一定能满足要求，所以其使用范围受到一定限制。目前应用最广，最有发展前景的还是土壤热泵系统。

3 地质勘探、地源热泵系统的设计与施工

在选择地热换热系统和进行地源热泵系统设计之前，要对建筑工程项目场地规划面积和形状、工程场地内已有建筑物和规划建筑物的占地面积及其分布等项内容进行调查。1)地埋管系统的设计与施工。地埋管系统的设计包括：计算土壤热交换器热量、确定土壤热交换器的布置形式、选择塑料管和防冻液、合理设计环路集管等。地埋管系统施工主要包括：挖沟或钻孔、土壤热交换安装、土壤热交换器安装后回填料的回填等。2)地下水系统的设计与施工。地下水系统的设计包括：冷热源井、泵室输水管网的设计等。冷热源井设计之前，应对现场进行踏勘并搜集建井地区的有关资料。当搜集资料不足以说明拟建井地区情况时，应进行地质勘探。根据水文地质条件、当地法规和工程实际情况，确定是否需要回灌和选择合理的回灌方式，一般情况都要进行回灌。3)地下水系统的设计与施工。地下水系统宜采用变流量设计。循环水泵流量根据水源供回水温差自动调节，满足热交换器的变化要求。地表水水源水量及温差应满足冬夏两季机组满负荷运行时的用水量参数。4)室内系统的设计与施工。室内系统的设计与常规空调方式相同，应符合采暖通风与空气调节设计规范的要求，施工验收符合通风与空调工程施工及验收规范的要求。

4 地源热泵与其他空调方式比较的优越性

土壤源热泵作为地源热泵今后发展的主要方向，我们将其与其他空调方式比较，有以下优势：

1)主机设置灵活，操作简单。土壤源热泵主机的设置非常灵活，可以设置在建筑物的任何位置，而不受考虑位置的限制。对于其他空调系统，如风冷热泵机组，主机的设置必须要与外界通风良好，要么设置于屋顶，要么设置于地面;再如设置冷水机组+锅炉方式，冷却塔和锅炉的位置就更受限制。因此，就主机的设置而言，地源热泵系统的主机设置是非常灵活的。2)运行效率高，系统稳定。土壤源热泵机组与外界的换热是通过大地，而大地的温度很稳定，不受外界空气的变化而影响运行效率，因此，土壤源热泵的运行效率是最高的。对于其他空调系统，不管是采用风冷热泵机组还是采用冷却塔的冷水机组，无一例外的要受外界天气条件的限制，即空调区越需要供冷或供热时，主机的供冷量或供热量就越不足，即运行效率下降，这在夏热冬冷地区的使用就受到了影响。3)控制系统。在北方地区，风冷热泵在冬季使用时，有除霜问题，对于热泵的除霜，需要专门的控制设施，即在除霜过程中，主机要进行逆向循环，室内空调系统的室温控制就要受到限制，而土壤源热泵系统就根本不存在这些问题。4)绿色环保，无污染。从土壤源热泵的整个运行原理来看，土壤源热泵系统实际是真正意义的绿色环保空调，不管是冬季还是夏季的运行，都无任何污染物排放，不会对建筑外大气环境造成不良影响。而其他空调系统，将废热气或水蒸气排向室外环境，或多或少的对环境造成了污染。5)高效、节能、运行费用低。一般说来，土壤源热泵系统的运行费比风冷热泵的运行费节约30%～40%，这主要在运行效率上得以体现。达到相同的制冷制热效率，土壤源热泵主机的输入功率较小。在全年时间使用空调的场所，这种效果尤为明显，并且无任何室外设备维护费用。