地源热泵的原理、特点与可行性分析

卢勇

（苏州经贸职业技术学院，江苏　苏州　215021）

地源热泵的原理、特点与可行性分析

卢勇

（苏州经贸职业技术学院，江苏苏州215021）

热泵是消耗一定高品位能源（如电能），把能量从低温物体或环境传递到高温物体或环境的设备。为了顺应节能发展趋势，地源热泵技术近年来不断被人们采用。文章对地源热泵的工作原理、发展概况及特点作了简要叙述，最后对地源热泵从技术和经济两个方面进行可行性分析。

地源热泵；工作原理；可行性分析

一、地源热泵工作原理

热泵是消耗一定高品位能源（如电能），把能量从低温物体或环境传递到高温物体或环境的设备，如同水泵一样，消耗电能可以将水从低处提升到高处。

地源热泵也称为地热热泵，通过地源热泵将环境中的地源能（土壤、地下水、地表水和低温地热水等）提取出来，再通过中央空调换热系统对建筑物供热或者制冷。因为地层的保温特性好，所以可以利用回灌技术将温度较高的水夏灌冬用；同样，将温度较低的水冬灌夏用，具有一定节能效果。

地源热泵的制冷放热和制热吸热的最终的热源均为地热源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）。由于地层的良好保温性能，地热源的温度全年较为稳定，一般保持为20℃左右，这样，制冷时放热对象温度低，制热时吸热对象温度高，制冷时冷凝温度低，制热时蒸发温度高，制冷或制热的工作性能系数均可高达3.5至4.4，与一般中央空调相比，效率要提高40%左右。

地源热泵制冷原理:制冷剂冷媒进行制冷循环，通过空气热交换器时，低温低压液态冷媒的蒸发将室内循环空气的热量吸收，变为低温低压气态，经压缩机升温升压，具有放热能力，通过水冷式冷凝器的冷却冷凝，再由循环水路将冷媒中所携带的热量吸收，最终通过室外地埋管换热系统转移至地下水或土壤里。同时，经冷凝器冷却冷凝成为中温高压的液态冷媒经过节流变为低温低压液态冷媒，进入空气热交换器不断再循环，这样室内热量通过室内空调末端系统、地源热泵机组和室外地埋管换热系统不断转移至地下土壤中，实现室内制冷。

地源热泵制热原理:通过四通换向阀（也可以用四个电磁阀切换），将冷媒流动方向换向。这样地下浅层地热通过室外地埋管换热系统、地源热泵机组和室内空调末端系统，不断转移至室内，实现室内制热。

二、地源热泵的特点

（一）高效节能

地源热泵主机能从地下水或土壤中获取大量免费热量，每消耗1度电就能产出3～5.5度电以上的热量，其运行费用约为直接电能的25%，液化燃气能的45%，燃油能的50%，天然气能的60%，与燃煤能和太阳能制热方式的运行成本基本持平；外界温度越高，设备工作的时间越短，其节能的效果越突出。

1.各种热源的热值

生活中，常见的热源有:电能、液化气、天然气、管道煤气、柴油锅炉、热泵。表1列举了常见能源的热值。从表1中可见，热泵的热效率最高，达到450%。

2.运行成本比较

以15℃的冷水，加热至55℃的热水，需要40000千卡的热量为例，常见热源的成本见表2所示。其中热泵的成本最低，只需要9.79元。

（二）清洁环保

与煤油、燃气、燃煤热水系统比较，地源热泵系统不会向周围环境排放二氧化碳、二氧化硫、氮化物等有毒有害污染物，不会产生温室效应和大气污染，而且由于对能源消耗极低，可减少燃烧废气的产生，符合目前我国能源、环保的基本政策，将为国家和社会带来最佳的综合效益。

（三）安全可靠

与电热水器相比，地源热泵机组内设有高压保护、压缩机过流过载保护、起动延时、水温超高温保护等多重安全保护，从根本上杜绝漏电、干烧、超高温等安全隐患。与燃油、燃气热水器相比，机组不需燃料输送管道，没有燃料泄漏、火灾、爆炸等危险。

（四）制热速度快

在20℃进水与单位时间相同能耗条件下，地源热泵制热速度是电热水器的4倍，燃气热水器的3倍，太阳能热水器的8倍（太阳能能量密度低，加热时间长）。

（五）智能化控制

地源热泵实现智能化控制，操作方便。地源热泵由微电脑控制，自动起停，可多台并联组合使用，根据负荷变化调节开启的台数，控制灵活。

表1　各种热源的热值分析

（六）符合国家能源政策

国家政府对生命安全、环保、节能越来越重视，一大批设计不先进、安全可靠性达不到国家有关标准的空调将被淘汰，地源热泵运用前景将更加看好。

三、地源热泵的可行性分析

（一）地源热泵技术可行性研究

在采用地埋管式热泵系统时，要详细了解建筑现场的可埋管面积、土壤条件，或向当地有关部门咨询获取工程勘察资料。没有的话要请专业人员进行必要的地质勘察，并结合设计文本和施工图纸，为打井埋管做好充分准备工作。通过方案可行性研究，确定利用地埋管的地源方案，并完成相应施工组织设计。在采用水源式热泵系统时，主要详细了解建筑现场的水源情况，或向当地有关部门咨询获取资料。没有的话要请专业人员进行必要的水文地质勘察，并结合设计文本和施工图纸，了解是否有可用的水源，确定利用地下水还是地表水的供水水源方案，并完成相应施工组织设计。

（二）地源热泵经济可行性分析

地源热泵系统可实现对建筑物的三联供 （供热和供冷及供生活热水）。地源热泵是高效节能环保的系统，属可再生能源利用技术。地源热泵从常温土壤中吸热或向其排热，土壤中的能量永无枯竭，是一种可再生的清洁能源，可持续使用。考虑到土壤热污染换热性能的恶化，现采用更加合理的混合式地源热泵。制冷时，地源热泵可将室内热量“搬运”到土壤中，制热时，地源热泵可将土壤中的热量“搬运”到室内，输入1KW的电量可以得到5KW以上的制冷制热量。至于运行费用，冬季一个运行季每平方米仅为14元左右，夏季一个运行季每平方米为8元左右，比常规中央空调系统低50%。在系统节水省地方面也不用担心，土壤为冷热源，向其放出热量或吸收热量，充分利用埋管内水循环，不会对地下水其造成污染；机房面积大大小于常规空调系统，节省建筑空间；埋管可直接埋在车库、地下停车场、花园、操场等下面，不占用使用面积；在供热时，无燃烧和排烟，不需要堆放燃料废物的场地，也不会产生城市热岛效应。综上所述，地源热泵是节能环保，理想的绿色环保产品。

表3　地源热泵空调与水环热泵空调方式初投资及运行费用比较

表3、表4是基于华中地区实际，现行的价格体系对地源热泵空调与传统空调方式的初投资及运行费用指标的比较结果。需要说明的是，比较条件一是全年按7个月时间运行，其中夏季4个月，冬季3个月；二是电价按1.0元/度计，燃气价按1.8元/m3；三是采用混合式地源热泵（夏季加冷却塔，冬季加辅助热源），这样可以降低工程初投资。

从表3、表4所知，地源热泵空调系统年运行费用少，虽回收期长一点，但制冷制热不受环境影响。尤其是地埋管热泵系统，在冰雪天气下，制热效果更好。另外，由于冬天吸热从温度比较高的土壤吸热，而夏天放热给温度比较低的土壤，使得制冷系数提高，且安全可靠稳定，反映出地源热泵的经济节能效果好。结合当前节能环保发展趋势，不难发现地源热泵将大有前途。

表4　地源热泵空调与水环热泵空调方式年运行费用比较

［1］朱立.空气调节技术［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［2］吴业正.制冷原理及设备［M］.西安:西安交通大学出版社，2010.

［3］彭东升.制冷与空调作业（复训）［M］.徐州:中国矿业出版社，2006.

［4］鲍士雄.地源热源，水环路水源热泵之应用［J］.工程建设与设计，2005（3）:5-7.

［5］中宇公司.产品使用说明书及培训资料［Z］.2007.

（编辑:林钢）

An Analysis of the Principle，Characteristics and Feasibility of Ground Source Heat Pump

（Suzhou Institute of Trade and Commerce，Suzhou 215021，China）

A heat pump is a kind of equipment that consumes certain high-grade energy（such as electricity）to transfer the energy from low temperature objects or environment to high temperature objects or environment. To adapt to the energy saving trend，ground source heat pump technology has been continuously used by many people.The working principle，the historical development and the characteristics of the ground source heat pump are described，and the feasibility of the ground source heat pump is analyzed technically and economically.

ground source heat pump；working principle；feasibility analysis

TB 752+.22

A

1671-4806（2016）03-0093-04

2016-04-24

卢勇（1971—），男，江苏苏州人，讲师，研究方向为空调工程。