地源热泵技术工作原理及在暖通工程中的应用设计

梁永辉

（邢台守敬建筑设计有限公司 河北 邢台 054000）

【摘 要】 本文介绍了地源热泵技术的工作原理和特点，分析探讨了地源热泵的工程设计应用。

【关键词】 暖通工程；地源热泵技术；应用设计

Ground source heat pump technology and application design works in HVAC engineering

Liang Yong-hui

(Architectural Design Co., Ltd. Xingtai Shoujing Xingtai Hebei 054000) 

【Abstract】 This article describes the ground source heat pump technology works and characteristics, analyzes and discusses the engineering design of ground source heat pump.

【Key words】 HVAC engineering;Ground source heat pump technology;Application Design

地源热泵技术是一种高效的节能环保型供热、空调技术。该技术是以地球表面浅层地热资源作为冷热源，利用热泵工作原理，通过少量的高位电能输入、实现低位热能向高位热能转移的一种技术。地表浅层地热资源是指地表土壤、地下水河流、湖泊吸收太阳能而蕴藏的低位热能，是一种清洁、可再生的能源。地源热泵技术作为一种有益于环境保护和可持续发展的冷热源形式，在美、加与欧洲已有几十年的应用历史，应用范围涉及空调、采暖、生活热水供应及一些工业和工程上的冷热源提供，被美国能源部与环保署共同认为是当今世界上最高效，最环保清洁的供暖与空调技术。随着常规能源资源的日趋减少和人们对节能、环保要求的不断提高，地源热泵技术将在我国的采暖空调等行业有较大的应用和发展。

1. 地源热泵技术的工作原理

1.1 地源热泵的分类。根据地热源的种类和方式不同，地源热泵可分为以下三类：

（1）土壤源热泵土壤源热源（也叫大地耦合式热泵）以大地作为热源，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——水或热泵机组或水——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、水平埋管和蛇行埋管三类。

（2）地下水热泵系统地下水热泵系统，是一种以水体为低位热源，利用地下水式水源热泵机组为空调系统制备与提供冷/热水，再通过空调末端设备实现房间空气调节的系统形式。地下水热泵系统的优势是造价要比土壤源热泵系统低，另外水井很紧凑，不占什么场地，技术也相对比较成熟，水井承包商也容易找。但存在其劣势就在于：有些地方法规禁止抽取或回灌地下水；可供的地下水有限；如水质不好或打井不合格要注意水处理；如泵选择过大、控制不良或水井与建筑偏远，泵耗能就会过大。

（3）地表水热泵系统地表水热泵系统主要有开路和闭路系统。地表水热泵系统具有相对造价低廉、泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。在寒冷地区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。但是，在公共用的河水中，管道或水中的其他设备容易受到损害。另外，如果湖泊过小或过浅，湖泊的温度会随着室外气候发生较大的变化，这就会产生效率降低，制冷或供热能力降低的后果。

1.2 地源热泵的工作原理。地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、热泵机组和室内空调末端系统。工作原理就是在地下埋设管道作为换热器，管道与热泵机组连接形成闭式环路，管道中有液体流动通过循环将热泵机组的凝结热通过管道散入地下（供冷工况），或从大地吸取热量供给热泵机组向建筑物供热（供热工况）。其中水源热泵机主要有两种形式：水——水式或水——空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物空调末端换热介质可以是水或空气，系统的关键是大地换热器的设计和施工。

2. 地源热泵技术的特点

2.1 地源热泵是清洁的可再生能源利用技术。地表浅层土壤和水体是一个巨大的太阳集热器，同时地球深部的热能也会通过地表向大气层散失。人类每年消耗的全部能量，只是地表吸收和散发的太阳能和地热能的极小的一部分。地表能量被利用后，可由太阳能和地球深部传导上来的热量很快平衡，不会对自然界的能量系统造成不良影响。因此浅层地表能量是一个取之不尽的可再生清洁能源库。

2.2 高效、节能，运行费用低。地下土壤或水体温度冬季比环境温度高，夏季比环境温度低，且始终保持较为稳定的状态。由于这一特点，地源热泵机组的运行能效比或性能系数上升。美国环保署估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以比常规空调节约40%～ 50%的运行费用。

2.3 一机多用运行稳定、可靠。地源热泵系统可供暖、制冷和提供生活热水，对于同时需求供暖、供冷的建筑，地源热泵一套系统就可同时解决，节省了建筑的配套建设费用和配套设施占用面积，从而也增加了经济性。

2.4 运行稳定可靠，寿命长。由于土壤或水体的温度较为稳定，无论是寒冬还是酷暑，机组都在较为稳定的工况下运行，保证了机组的高效性，并有利于延长其使用寿命。通常，地下埋管部分的使用寿命可长达50 年，热泵机组的寿命可达20年以上。

2.5 与空气源热泵相比，地源热泵性能不受空气温度变化的影响，冬季不存在除霜问题，采用地源热泵中央空调的建筑，室内温度稳定，并因运行费用低，设计上可加大新风量，保证室内的舒适度。

2.6 系统简单，维护费用低。地源热泵中央空调系统组成简单，地下或室外部分几乎不需维护，室内部分的维护只需普通的制冷空调工即可胜任。

2.7 可实现区域控制，便于物业管理。区域控制最大的优点是，各区域机组可在同一时刻各自独立进行制冷或制热运行，避免能源浪费，充分体现地源热泵中央空调系统的节能性和舒适性。

2.8 结构紧凑，节省机房面积。不需大型冷冻机房和锅炉房，不需冷却塔，不影响建筑美观。小规格机组形式多样，可直接安装在室内，与室内装修融为一体。

3. 地源热泵的工程设计应用

3.1 关于地下水源开采、回灌和土壤换热器的比较。

（1）近几年来地源热泵的部分形式是地下水源开采——回灌形式的水源热泵系统。这种形式面临的最大问题是回灌问题。华北、华东地区的地下水位下降，地面沉降问题一直很严重，多年来面临严重的地沉问题，在利用向地下回灌来控制地面沉降的技术已用多年，积累了很多经验教训。

（2）地源热泵土壤换热器有多种形式，如水平埋管，竖直埋管等。这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境，在中国采用竖直埋管更显示出其优越性。节约用地面积，换热性能好，可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能，甚至可在建筑物桩基中设置埋管，见缝插针充分利用可利用的土地面积。

（3）采用竖直埋管的土壤换热器形式，不用开采和回灌地下水，没有破坏自然环境的担忧。另外的优点是系统运行更加稳定、安全，没有需要更新和维修潜水泵的烦恼。

3.2 冬季避免采用防冻液介质。很多资料中介绍了防冻液的种类、性能等。在我国华北及以南区域，因为地下温度不是很低，只要设计足够的土壤换热器数量，可以在使用水作为介质的情况下满足需要。尽量不使用防冻液，避免使用不慎造成环境问题和因温度太低降低热泵效率。

3.3 系统的管材必需采用高强度惰性材料。土壤换热器系统设计要保证水系统平衡，避免采用室外阀门调节的方式。

3.4 关于竖直埋管埋设。单U 型或双U 型管的问题从工程实践中看，总体来说单U型管方式优于双U型管方式，但是同样的换热量单U 型管需要更多的孔数而增加了建设成本。

3.5 系统设计参数讨论。关于（冷）热源侧水流量，要由最大得热量和最大释热量确定的。埋管中水流速的选取取决于埋管循环流程长度，埋管材料，管径大小，当地地源条件以及机组的特性要求。一般，如提高水流速度可适当增加换热系数，强化换热量，减小换热面积和换热管的耗材，但流速太快会增加循环水泵能量消耗。一般可取流速为0.65~1.5m/s。具体可当地条件进行优化分析与设计。优化设计时其复合能耗与埋管长度、埋管材料、管径、地源温度、地源热指标、机组特性等因素有关。在机组选择上，设定地埋管进水温度，根据测井测出的进出水温差推算出地埋管出水温度，进而确定热泵机组冬季的蒸发温度和冷凝温度。总之，我国幅员辽阔，在不同地区气候条件差异很大，其负荷也迥然不同。因此不能照搬国外的技术成果，而要开发适合我国气候特点的技术。

4. 结语

总之，开源节流，尤其是开发各种可再生新能源将是我国经济可持续发展的关键。我国地域宽广，蕴藏着丰富的地表浅层地能资源，因地制宜地采取不同形式的地源热泵技术可以有效地提高低温地热资源，同时克服传统暖通空调技术的局限和不足，是非常有意和具有实际价值的，在节约能源、防治环境污染和城市现代化方面有着较大的意义。

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参考文献

［1］ 马宏权，龙惟定. 世博园区江水源热泵技术应用［J］. 建设科技.2010（12）.

［2］ 樊玉杰，吴建华，张方方，方肇洪. 地源热泵与太阳能供热空调复合系统的工程应用［J］.中国建设信息供热制冷.2010（03）.

［3］ 袁龙，浅层地热能引领节能新潮流［J］. 中国建设信息供热制冷.2010（02）.

［4］ 陈昌富，吴晓寒，王陈栋. 地埋管地源热泵系统及存在问题分析［J］. 探矿工程（岩土钻掘工程）.2009（10）.

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［文章编号］1619-2737（2014）05-19-784

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