地源热泵应用

2015-04-16徐海光

建材与装饰 2015年50期

关键词：冷媒源热泵热泵

徐海光

（中国葛洲坝集团股份有限公司勘测设计院湖北武汉　430223）

地源热泵应用

徐海光

（中国葛洲坝集团股份有限公司勘测设计院湖北武汉430223）

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（亦称地能，包括地下水、土壤或地表水等）既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能现低位热能向高位的转移。地源热泵系统应用情况调查研究分析报告》显示，地源热泵已地源热泵已经受到广泛关注，不同所有制形式企业都参与到其开发、应用之中，地源热泵在我国长江黄河流域等广大对冷热都有需求的地区，具有较高适用性，在我国有很好的应用前景。

地源热泵；原理；节能环保

1　前言

现国家大力提倡和鼓励再生、可持续能源的开发和利用，地源热泵作为可再生、可持续、新型环保的地源能的利用，国家也相继出台了一系列的法规和政策。比如《中华人民共和国节约能源法》的第四条：《建设部建筑节能“十五”计划纲要》等等。都对地下能源在建筑中的利用推进做出了明确规定。

“地源热泵”的概念，最早在1912年由瑞士的专家提出，而这项技术的提出始于英、美两国。英国主要偏重于冬季采暖，而美国则注重冬夏联供。由于美国的气候条件与中国很相似，因此研究美国的地源热泵应用情况，对我国地源热泵的发展有着借鉴意义。

地源热泵的发展：

美国（The United States）1946年，美国第一台地源热泵系统在俄勒冈州的波兰特市中心区安装成功。

1973年，美国阿克拉荷马大厦安装了地源热泵空调系统，并且进行全面的系统研究。

1978年，美国能源部（DOE）开始对地源热泵投入了大量的科技研发基金。

1979年，美国阿克拉荷马州能源部成立了地源热泵系统科技研发基金会。

1987年，国际地源热泵协会（IGSHPA）在阿克拉荷马州大学成立。

1988年，美国俄克拉荷马商务部开始对地源热泵进行商务推广。

1993年，美国环保署（EPA）大力宣传地源热泵系统，加深美国民众对地源热泵的认识。

1994年，美国政府第一套地源热泵空调系统在俄勒冈州国会大学安装，地源热泵从此在美国政府，军队，电力公司等得到了大量应用。

1998年，美国环保署（EPA）颁布法规，要求在全国联邦政府机构的建筑中推广应用地源热泵系统。美国总统布什在他的得克薪斯州宅邸中也安装了地源热泵空调系统。目前，全球75%的地源热泵系统安装在北美地区。

美国：是世界上地源热泵生产、使用和发展的头号大国。

2000年：400，000台；

2004年：670，000台；

2005年：1，000，000台。

加拿大：2005年地源热泵系统新增比例增加了50%。

瑞士、挪威：是世界上地源热泵应用人均比例最高的国家，应用比例高达96%。

奥地利：应用比例为45%；

丹麦：应用比例为35%。

中国（China）1997年，美国能源部（DOE）和中国科技部签署了《中美能效与可再生能源合作议定书》，其中主要内容之一是“地源热泵”项目的合作。

1998年，国内重庆建筑大学、青岛建工学院、湖南大学、同济大学等数家大学开始建立了地源热泵实验台，对地源热泵技术进行研究。

2006年，1月，国家建设部颁布《地源热泵系统工程技术规范国家标准》。

2006年，9月，沈阳被国家建设部确定为地源热泵技术推广试点城市，到2010年底，实现全市地源热泵技术应用面积约占供暖总面积的1/3。

2006年，12月，建设部发布文件《“十一五”重点推广技术领域》。作为新型高效，可再生能源新技术的水源热泵技术被列入目录。

2　地源热泵概念

地源热泵是陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源（如电能）实现由低品位热能向高品位热能转移。地源热泵属于一种空调系统，可以供暖，也可以制冷，与其他空调系统不同的是，其冷热源为太阳能资源，不会对环境造成污染，属于一种清洁技术。该系统将土壤与水体当成一个集热器，用来收集太阳能并对其进行利用，这个巨型“集热器”中可以收集将进一半的太阳辐射能量，超过人类所能利用太阳能的500倍；我们可以将这个系统理解为一个能量平衡系统，土壤和水体保持能量平衡，一边会接收能量，一边又会发散能量，地源热泵技术就是要对这些将要发散出的能量加以利用，将该系统作为应用太阳能的一种途径。

地源热泵是利用大地（土壤，地层，地下水）作为冷热源。在较深的地层中，土壤的温度常年保持稳定，夏季时地下土壤的温度比室外空气的温度低，冬季时比室外温度高。在冬季时通过热泵把大地中的热量升高温度后为建筑供热，使大地的温度降低，蓄存了冷量；夏季时将建筑物中的热量排到大地中，使大地的温度升高，蓄存了热量，这样交替使用，提高了空调系统的能源利用率。

3　地源热泵工作原理

热量从高温流向低温是一种自然现象，与水往低处流是一个道理。但是人们可以应用能量守恒原理，利用能量的转换使水从低处流向高处，同理也可以使热量从低温流向高温，这就是地热泵的工作原理，也是将地热泵称为“热量提升装置”的原因，其可以把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的1/3或更低，这就是热泵节能的特点。

制冷模式：

系统在制冷时，机组中的压缩机会对冷媒进行做功，完成汽-液转化过程。在蒸发器中冷媒的作用下，热量会被自然吸收到冷媒中，这些热量是由风机盘管所携带。冷凝循环吸收热量的同时，冷凝器内部发生冷凝作用，然后在水路循环作用下，这些热量被吸走，转移到土壤和地下水中。这样就实现了室内温度向地下的转移，达到制冷目的，风机盘管会以冷风的方式向室内供冷，制冷温度在13℃以下。

供暖模式：

系统在供暖时，压缩机会对冷媒做功，冷媒流动方向会受到换向阀的控制。水路循环会自动吸收土壤和地下水热量，这些热量会在冷凝器蒸发作用下被冷媒吸收，冷媒在进一步循环的过程中会通过冷凝作用吸收热量，这些热量同样是由风机盘管中的冷媒所携带。这就实现了地下热量向室内的转移，风机盘管会以暖风的方式向室内供暖，最高供暖温度在35℃左右。

4　地源热泵形式

4.1地下水源热泵

地下水源热泵是抽取地下水，经过水水换热器与冷却水进行热交换或者直接与热泵机组的换热器进行交换，通过机组将热量或冷量传递到房间，然后通过回灌井把地下水回灌到原来的地下水层或者排入地表水系统。此种系统采用地下水，会对地下生态造成一定的影响。

4.2地表水热泵

利用江，河，湖泊或海等地表水作为冷热源，从中取热。地表水热泵比较容易受自然条件的限制，夏季时环境温度越高，水温越高，建筑冷负荷升高，但系统制冷系数下降，冬季时环境温度越低，水温越低，建筑热负荷升高，制热系数下降。同时地表水源热泵在取水和处理方面需要一定投资，如需要清理水中的浮游垃圾或者污泥，采取防腐蚀的管材或换热器以避免水对换热器或管道的腐蚀等。

4.3地埋管地源热泵

地埋管地源热泵系统是利用地下土壤中的热量，通过与水平或者竖直的地埋管中的循环液进行热交换，从而实现制冷或制热。它通常有三个环路组成：室外环路，制冷剂环路，室内环路。室外环路主要由地下埋管组成的封闭环路，冬季从土壤中吸收热量，夏季从土壤中吸收冷量；制冷剂环路主要指由蒸发器，冷凝器，压缩机，节流阀四大部件及辅助设备组成的制冷机组环路；室内环路主要通过循环液体或气体完成建筑与机组之间的换热对于本建筑，采用集中空调系统，优先采用地源热泵系统。根据本建筑所处地理位置，离江河湖泊较远，敷设管道复杂，同时考虑到对地下生态环境的影响，采用地埋管热泵系统。

5　地源热泵系统特点及优势

5.1高效节能

土壤浅层温度比较稳定，即使季节更换也不会发生太大变化，因此热泵的动载荷波动不大，不会发生太大磨损，运行起来比较稳定，如果没有特殊情况热泵的使用寿命至少可以达到20年，满足高效节能要求的同时，可以达到理想的经济效益。

对于冬季来说，土壤浅层以及地下水温度在16～18℃之间，即使是容量较大的地表水，温度也在6～14℃之间，比空气温度要高出很多，热泵在运行过程中能效比系数明显提升，压缩比明显降级，与一般空气源热泵相比，最多可以节约一半能耗。

对于夏季来说，土壤表层与地下水温度在18～20℃之间，即使是容量较大的地表水，温度也在22～26℃之间，比空气环境要低出很多，冷凝压力明显降低，与一般制冷空调相比，可以帮助用户节约一半费用。

5.2一机多用功能

地源热泵系统可供暖气、冷气实现舒适空调，可取代常规的锅炉加空调的两套装置。如果热源条件允许，机组还可以为用户提供生活热水，不仅使用起来方便，不仅经济实惠，而且使用起来非常方便。

5.3环境效益显著（略）

5.4优势

与普通热源泵相比，地源热泵不会产生热气流导致温室效应；与煤锅炉相比，其不需要通过燃烧获取能量，不会向空气中排放二氧化硫（是造成大面积酸雨的主要原因），也不必担心燃烧物存储安全问题。其在运行过程中也不会产生废弃物，所有能量的转移都将土壤以及地下水作为介质，不会消耗这些资源，更不会对水资源造成污染。

实际上地源热泵所利用的能量都是存储于土壤和地下水中的太阳能，这些能源具有清洁、可再生的特征，供暖和制冷过程同时满足低费用、低能耗、低污染和高效率的要求。

地源热泵与风冷热泵相比，节能40%；与电采暖相比，节能70%；与燃气炉相比，效率提高48%。

地源热泵系统运动部件要比常规系统少，因而减少维护，系统安装在室内，不暴露在风雨中，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。

地源热泵系统在运行中无需燃烧，因此不会产生有毒气体，也不会发生爆炸。

由于地源热泵系统的供冷、供热更为平稳，降低了停、开机的频率和空气过热和过冷的峰值。这种系统更容易适合供冷、供热负荷的分区。

地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管，寿命可达50年。

地源热泵以电动动力，夏季向土壤中排放热量，冬季从土壤中汲取热量，不需另设排热设备以及燃烧能源获得热量；各机组可独立启停，仅有部分房间需要空调时不会浪费能源；在过渡季节根据不同的需要，各机组独立供热或供冷，能源交替转移利用，不要启动冷热源；有明显内外区项目，冬季可转移利用内区余热给外区供热；年运行费用比传统中央空调系统节能30%以上。

6　地源热泵系统存在的不足

地源热泵系统在使用过程中也存在很多不足，其中最主要的问题就是土壤热不平衡。由于南方地区温度较高，因此主要以供冷为主，系统运行时主要是向地面注入热量；而北方则正好相反，需要长期从土壤和地下水中吸收大量热量，这种不均衡会导致地下温度失衡，导致生态环境受到影响。南方制冷能量要多于供暖能量，对这些多余的热量可以统一回收，用于生活热水供应，缓解土壤热不平衡现象。而北方通常另配锅炉，供暖，来平衡土壤热的问题。

地源热泵在应用过程中还会受到很多其他因素的影响，包括国家能源政策、能源市场价格等。同时，能量转换的介质是土壤和地下水，因此该系统在使用过程中会受到当地水资源的影响。建设该系统时需要做大量打井和埋管工作，因此会受到场地条件的限制。另外，设计过程中要充分考虑冷热平衡问题，要做到夏季往地下排放的热量与冬季从地下取用的热量大体平衡。