地源热泵的应用与技术性分析

2015-05-07刘孝刚

机械工程师 2015年2期

刘孝刚

（渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛 125000）

0 引言

随着制冷与空调工业的发展，中央空调系统也在不断地更新与改进。其中，地源热泵应用于中央空调系统中的设计理念逐步被空调行业人士认可，成为了工程设计人员优先考虑的设计方案，它具有节能环保和舒适灵活等特点，逐步成为了家用中央空调市场发展的主要趋势。由于地源热泵本身的特殊性，如何将地源热泵系统更好地应用于各类空调系统中是工程技术人员设计的重点。

1 地源热泵

地源热泵是通过输入一定的电能来驱动压缩机,向机房系统内的热泵机组做功，使机组中的介质发生反复物理相变过程。同时伴随室内外换热器蒸发吸热和冷凝放热现象，从而产生冷量和热量。通过室内换热器和室外换热器实现空间上的热量交换和传递转移。由于通过少量的电力驱动就可以实现低位热能向高位热能的转移，使得地源热泵的能耗比相对较低，同时，地源热泵可以在冬季和夏季向用户单元提供制冷与供热。地源热泵的最大特点是冬夏季两个季节可以利用土壤本身的热量进行制冷和制热，在冬季，地源热泵机组把土壤中的热量提取出来，经过机组做功提高温度后供给室内用于用户的采暖；在夏季，地源热泵机组把室内的热量释放出来，将热量释放到土壤中去，还可保证地下温度的均衡。

2 常用空调系统方案的介绍

2.1 冷水机组与燃气锅炉结合的空调系统

冷水机组与燃气锅炉结合的空调系统一般采用电制冷蒸汽压缩式冷水机，包括活塞式冷水机组和螺杆式冷水机组。在夏季，通过电力驱动蒸汽压缩式冷水机组为用户提供冷源；在冬季，由燃气锅炉提供的0.5 MPa的过热蒸汽通过换热器进行热量交换，然后对用户进行空调的供暖。对于大型中央空调系统，室内机组采用风机盘管或风机盘管加新风系统，如果条件允许，还可以采用全空气处理空调系统。冷水机组与燃气锅炉结合的空调系统一般采用两套水换热器，包括冷凝器和蒸发器，冷凝器采用水冷冷凝器，冷却水通过冷却塔来冷却主机的冷凝器，产生的冷冻水通过蒸发器为用户的室内末端设备（如风机盘管）提供冷冻水。冷水机组与燃气锅炉结合的空调系统机组的特点是夏季空调机组只能制冷，冬季的采暖需要热源提供，与冷水机组无关。

2.2 风冷热泵空调系统

风冷冷水热泵空调系统与水冷机组空调系统的区别在于冷凝器的冷却方式不同，它是一种需消耗少量的电能，利用当地的室外环境，充分利用空气中的热能资源来冷却的冷凝器。其通过风冷冷水热泵系统制取冷热水供给空调空间使用的冷热量，比冷水机组节能。受自然条件的限制，尤其对于缺水地区，风冷冷水热泵空调系统得到了普遍应用，它往往能取代传统的空调方式，并能取得良好的制冷效果，风冷冷水热泵空调系统可以为用户进行夏季制冷和冬季采暖，冷暖两用，应用比较广泛。

2.3 地源热泵空调机组

地源热泵在空调系统中应用广泛。首先，它是一种利用回热循环的空调系统，它可以从建筑物内区回收热量用于外区，并且可以实现同时制冷和供热，从而使系统内部实现能量平衡。其次，地源热泵可以减少冷却塔和加热设备的运行时间，达到节能的目的。其中，水环热泵系统设备可以分散布置，一般不需要集中的制冷机房和空调机房，节省了机房占地面积。在家用中央空调系统中，地源热泵的优势是只需安装水管，管路简单、安装方便，运行费用低，可以节约大量能源，是今后户式中央空调的发展趋势。

地源热泵可以在冬季和夏季向用户单元提供制冷与供热。在夏季，大多数地源热泵机组向用户提供冷量，热量通过冷凝器冷却后，冷却水由冷却塔进行冷却，蒸发器中的冷冻水供入用户进行制冷，水环路温度一般保持在32℃以下。在冬季，地源热泵供热时，由锅炉等加热设备进行加热，水环路温度一般保持在16℃以上。春秋两季地源热泵运转时，当用户有40%的供冷和60%的供热时，地源热泵系统的冷热源供给将趋于平衡，无需开启加热设备或冷却设备，系统水温可以保持在16～32℃间，为用户节约了大量电能。

2.4 一户一机回灌式地源热泵

当前，工程实践常用的地源热泵形式为一户一机回灌式地源热泵机组，该系统原理如图1所示，地源热泵系统在制冷与热状态下，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。由室外地能换热系统通过地下埋管吸收地下水或土壤里的热量，通过地源热泵机组系统内冷媒的蒸发，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/室内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，由室内的风机盘管将冷媒的热量释放到房间中。在地下的热量不断转移至室内的过程中，完成系统对家用中央空调的制冷与供热。如果靠近地下水资源丰富的地区，也可以选用水井作为地能资源。

图1 一户一机回灌式地源热泵系统原理图

3 3种方案的比较分析

以辽宁葫芦岛地区一栋800 m2的别墅（共层）为例，对采用多种制冷方式的运行费用进行了分析比对，如表1所示。

表1 多种制冷方式分析

通过分析比对，水冷机组方案虽然初投资少，夏季制冷费用低，但在冬季运行维护成本高；冷却塔的冷却水系统增加了施工难度，一般还要设置冷水机组机房；风冷热泵系统投资略高，运行费用略高，冬季运行成本高，考虑到其从空气中吸取热能，有利于环境保护；地源热泵机组虽然投资略高但每平方运行成本低，较其他方案可节约25%～35%的运行成本，适用于家庭户式中央空调。

地源热泵的供热系数和制冷系数高，输入1 kW的电能可以产生4.2 kW的热量，运行费用低，比冷水机组和风冷热泵机组便宜。地源热泵机组利用地下土壤或地下水等地热资源，无需能耗，地热资源可以占据总热量的72%～76%。在工程实践中，特别对于家用户式中央空调，应首选地源热泵系统，虽然初投资略高，但从经济性和技术性方面考虑，其节能性和稳定性还是相对较高，可以大力推广。