地源热泵应用及其发展趋势分析

陈华 刘之光 夏佐强

天津商业大学机械工程学院

0 引言

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源既可供热又可制冷的高效节能空调系统[1]。地源热泵技术上世纪80年代后期开始在世界范围内应用，近年来全世界每年以20%以上的速度在增长[2]。它有三大优点：一是比其他常规空调系统可节能40%左右；二是环保不排放任何废弃物；三是运行费用可降低40%～50%[3]。

虽然地源热泵相比于传统空调系统具有节能减排的优势，但是在应用过程中也会遇到很多问题，如制热（冷）量不足、效率低等，这会降低节能效果，影响其推广应用。针对这些问题，近年来出现了地源热泵与太阳能、地源热泵与冰蓄冷结合的技术，在一定程度上克服了这些缺陷，成为地源热泵技术的发展趋势。当然地源热泵与其他技术的结合需要继续进行研究分析，以使地源热泵技术更好地发挥其优势，更广泛地应用。

1 地源热泵-太阳能复合系统

1.1 原理

地源热泵-太阳能复合系统是以浅层地热能以及太阳能为能量来源，将地源热泵系统和太阳能集热系统进行优化组合，用来对建筑物冬季供暖、夏季供冷及制取生活热水的系统。地源热泵-太阳能复合系统是由地源热泵机组、太阳能集热系统、地热能交换系统、建筑物内系统组成的，复合系统示意图如图1。

图1 复合系统示意图

图2为太阳能-地源热泵复合系统原理图，此系统的运行模式是由地下埋管换热系统与太阳能集热系统联合运行。利用这套系统可以实现建筑物夏季供冷、冬季供暖、全年生活热水的供应以及地下蓄能等功能，可保证地埋管区域土壤吸放热量的动态平衡，从而使得地下温度场保持稳定的变化，机组运行工况稳定，同时可以提高地下换热器换热效率与热泵运行能效[4]。

图2 太阳能-地源热泵复合系统原理图

1.2 不同季节系统流程

1.2.1 夏季供冷时的流程

复合空调系统夏季供冷时，是由地源侧循环系统、负荷侧循环系统、太阳能集热循环系统组成，地源热泵系统和太阳能集热系统都各自独立运行，负荷侧循环系统正常开启。地源热泵系统作为建筑物的供冷冷源，太阳能集热系统作为建筑物的生活热水热源[5]。

1.2.2 秋季蓄热时的流程

复合空调系统秋季运行时，地源侧循环系统的地源热泵机组停止运行，负荷侧循环系统也停止运行，太阳能集热循环系统正常运行，地源侧循环泵开启。太阳能集热系统除了满足生活热水外，其余采集的热量都通过地埋管蓄存到地下，以备冬季供暖时使用[6]。

1.2.3 冬季供热时的流程

复合空调系统冬季运行时，依然是由地源侧循环系统、负荷侧循环系统、太阳能集热循环系统组成，地源热泵系统和太阳能集热系统联合运行，负荷侧循环系统正常开启，地埋管换热器和太阳能集热器同时作为供暖的热源[7]。热泵机组蒸发器所提取的热量，一部分来自太阳能集热器，一部分来自地下换热器[8]。

该热泵机组在制热模式下，蒸发器进水温度10℃，出水温度6℃，冷凝器进水温度40℃，出水温度45℃；制冷模式下，蒸发器进水温度12℃，出水温度7℃，冷凝器进水温度25℃，出水温度30℃。在末端系统选配方面，选用的末端夏季供水温度可比7℃提高，冬季可比正常采暖温度低，就可以充分利用低品位能源，机组COP将大大提高[9]。此外，末端应采用独立新风系统即新风负荷单独处理，末端设备只承担室内显热负荷就可以达到要求，即采用地源热泵新风温湿度独立调节高效干式末端（毛细管、诱导冷梁、干式盘管），即可有效提高系统的节能性。如毛细管辐射供冷时，夏季可将供水温度由7℃提高到16℃，冬季可将供水温度从50℃以上降到32℃，机组COP则可由5提高到8以上，以实现更好的节能效果。

1.3 应用及节能情况

太阳能-地源热泵组合系统用于全年供冷供暖空调和生活热水供应是完全可行的。由于主要利用可再生资源，所以使用组合系统具有明显的经济效益。只要通过合理设计，太阳能-地源热泵组合系统提供的能量可以占建筑物采暖、空调与热水负荷总能耗的60%以上，比常规地源热泵系统节能20%以上，但初投资比较大。

我国蕴涵着丰富的太阳能和地表能，开发、推广应用空间很大。如果有100万m2建筑采用太阳能-地源热泵系统，每年可节约标准煤12万吨，减少烟气排放量1亿m3，并且运行费用比传统空调低30%～60%[10]。

2003年，Andrew D Caisson与 Cenk Yavuzturk，对太阳能集热器辅助加热的地源热泵系统进行了模拟研究，结果表明：在以供暖为主的地区，带有太阳能集热器的地源热泵系统在经济上是可行的，且具有明显的节能效果[11]。

杨卫波研究表明：联合运行模式不仅可以改善热泵性能，提高日间系统运行效率，还可以把U型埋管作为一个热源缓冲体，起到日间暂时储存富余太阳能作用的目的，以改善夜间运行效率。联合运行时太阳能与地热能热源承担热负荷比例为43.3%∶50.2%，相比单独地源热泵，联合运行模式的节能率为8.8%～10.1%[12]。

刘逸等通过对太阳能-地源热泵式空调系统的实测数据与理论计算得出系统冬季运行COP平均可达4.5，夏季运行COP平均可达3.8[13]。

1.4 存在问题分析

1）由于受太阳能集热器的影响，太阳能空调普遍存在着效率低、价格高的问题。太阳能空调中的太阳能集热器可以与太阳能热水器通用。随着太阳能热水器技术的发展，太阳能集热器的效率会逐渐提高。对于原来有太阳能热水器的用户可以进行改造，先制冷再用余热洗澡，使其具有更好的经济性。

2）集热温度、冷水温度及冷却水温度应各为多少，才能建立一个最为经济合理的太阳能空调系统，也是尚待解决的课题。只要有了合适的集热器和制冷机，才能建立经济合理的太阳能空调系统。

3）由于太阳能的收集存在时效问题，蓄热技术也必须得到很好的解决以实现太阳能空调系统应用的随意性和连续性。

4）对于居住相对集中的楼房，集热器的安装受到很大的限制，这主要是因为太阳能空调的安装不普遍，楼房的设计没有考虑到太阳能空调。要通过太阳能应用与建筑一体化设计来解决这个问题。

5）目前，还没有太阳能空调系统的计算机设计软件、控制芯片、技术标准、统一的配套设备和零部件，这是科技与市场结合的问题。解决这一问题需要太阳能空调形成一定的规模,占领一定的市场，还需要政府和科技部门给予支持。

6）使用地源热泵系统易造成地下土壤的冷热量不平衡，不利于空调的运行和环境的保护。解决以上问题，必须保证冷热负荷的平衡[14]。

2 冰蓄冷与地源热泵耦合应用技术

地源热泵技术虽然可以供热供冷，但无法在夜间电力低谷时蓄冷，进而“削峰填谷”。冰蓄冷技术虽然可以起到“削峰填谷”的作用，却无法在冬季供暖。而将这两项技术嫁接到一起，可以取长补短，优势互补。

2.1 不同季节系统流程

2.1.1 夏季供冷时系统流程

地埋管地源热泵与冰蓄冷联合运行空调系统夏季供冷时，由冷却循环、制冷循环、蓄冰循环和供冷循环四个子系统组成，如图3所示。

图3 地源热泵与冰蓄冷联合运行空调系统夏季供冷流程

1）冷却循环。从冷凝器出来的热水进入地热换热器中进行热交换，将热量排入大地。

2）制冷剂循环。热泵机组中的制冷剂将蒸发器中载冷剂的热量吸收，在冷凝器中与冷却循环中的水进行热交换，将热量从热泵系统中转移出去。

3）蓄冰循环。载冷剂在蒸发器中降温后向蓄冰槽充冷，蓄冰槽蓄冷。

4）供冷循环。蒸发器或蓄冰槽向空调换热器供冷，提供室内所需的冷量。其中在供冷循环中又可以分为三种运行模式：

①常规空调供冷模式。此时蓄冰槽不工作，系统将来自热泵机组蒸发器的温度较低的载冷剂供至板式换热器，以产生空调用冷水。

②蓄冰槽单独供冷模式。此时仅从蓄冰槽融冰取冷，通过板式换热器冷却空调用水，热泵机组制冷工况停止运行[15]。

③联合供冷模式。此时热泵机组和蓄冰槽联合向空调设备供冷。由于夏季地温比环境温度低，地源热泵机组冷凝压力降低，压缩机输入功率减少，使制冷性能比空气源热泵机组有较大提高。在空调日负荷较高时，夜间热泵机组蓄冷，日间启动热泵机组的制冷工况和蓄冷设备同时供冷。这样设计可使蒸发温度及冷凝温度波动不大，从而保证了热泵机组的稳定运行。

2.1.2 冬季供热时系统流程

冬季供热时地埋管地源热泵与冰蓄冷联合运行系统简化为地源热泵供热系统，运行流程如图4所示。地热换热器中的循环液在蒸发器中将热量传给制冷剂，通过制冷剂循环将热量转移到室内[16]。

图4 地源热泵与冰蓄冷空调联合运行系统冬季供热流程

2.2 应用及节能情况

地源热泵联合冰蓄冷空调系统有着较大的市场应用前景：

1）小型别墅逐年增多，地源热泵联合冰蓄冷空调系统是富裕起来的城乡居民家庭空调的首选机型，这部分居民占我国人口的比例不大，但绝对数不小；

2）城市绿化面积扩大，也为一些低层住户、小型商业及办公用户提供了使用地源热泵联合冰蓄冷空调系统的条件；

3）工矿企业的办公、计量、化验、检测等附属用房也具有使用地源热泵联合冰蓄冷空调系统的条件；

4）采用冰蓄冷空调，冷冻水温度可降至1～4℃，能实现冷冻水大温差或低温送风，减少空调末端系统中水泵与风机的运行能耗，降低水管、风管的管径，有利于降低空调末端系统投资和提高建筑物空间利用效率。据国外资料介绍，在定负荷运行情况下，蓄冷空调比非蓄冷空调年节能率为13%；

5）为解决电力负荷不均的问题，我国将进一步拉大峰谷电价比，与国际通行峰谷电价比例靠拢，以鼓励利用低谷电。随着“峰谷电价”政策的全面实行，地源热泵户型蓄冰中央空调将会有更为广阔的市场前景[17]。

如苏州某研究院项目，采用冰蓄冷与地源热泵耦合技术，一次性投资比单纯地源热泵系统节省20%，运行电费节省27%，采暖能源费用较燃油锅炉节省40%；根据测算，每年还可节水约5万t，减少CO2排放3万t，每年至少减少燃煤消耗6000t，减排烟气量1.8亿m3；同时，由于采用了冰蓄冷地源热泵耦合节能技术，项目业主获得了600万元的政府补贴。该项目于2009年12月投入试运行，冰蓄冷适应建筑物分步建成投入使用的技术特性也得到了较好的验证，目前已投用建筑空调使用负荷约为设计负荷的60%。截止到2010年8月底，空调系统基本处于全融冰模式运行，土壤温度和冷却水温度持续稳定，支付电费约35万元，远优于设计目标，系统运行得到用户充分肯定[18]。

2.3 存在问题分析

1）对于地埋管地源热泵与冰蓄冷联合运行空调系统优化控制策略方面的设计研究还不够。

2）在地埋管地源热泵与冰蓄冷联合运行空调系统的能耗分析中,需进一步研究不同的全年累计冷热负荷不平衡率对系统运行效率及逐年运行费用影响。

3）对于系统能耗及经济性的分析仅局限于理论分析和计算机模拟分析，结合实际工程的实测分析还不够。

3 结束语

近年来，地源热泵在建筑中应用得越来越广泛，我国的建筑节能及环保方面发挥了越来越重要的作用，而将地源热泵与其他技术结合起来，又有以下优势：

1）将地源热泵与太阳能结合可以实现建筑物夏季供冷、冬季供暖、全年生活热水的供应以及地下蓄能等多种功能，保证地埋管区域土壤吸放热量的动态平衡，同时可提高地下换热器换热效率与热泵运行能效；

2）将地源热泵与冰蓄冷结合，可共用机组，节约初投资和占地空间，在一定程度上解决了污染问题，而且还为平衡电网负荷做出了贡献；该系统运行经济，具有明显的节能潜力。

相信只要扬长避短、优化设计，地源热泵与其他技术联合构建的复合式新型能源系统将具有广阔的发展前景。

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