暖通工程中的地源熱泵技術的應用

路明宇

摘要：地表淺層地熱資源可以稱之為地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低溫位熱能。地源熱泵是利用這種低溫位熱能，作為熱泵的供暖熱源和空調的冷源，既可供熱又可空調的系統。本文結合工程案例對暖通空調設計中地源熱泵問題進行了研究。

關鍵詞：暖通空調 設計地源熱泵 運用

中圖分類號：S611文獻標識碼： A

前言

地源熱泵為國家提倡使用的節能環保產品：隨著我國能源緊缺與環境問題日益嚴重，開發淺層地熱能資源，采用熱泵技術解決供暖、供熱和制冷問題的熱潮正在我國大規模興起，近十年來全世界每年以遞增20％以上的速度在增長。

一、地源熱泵的原理及特點

地源熱泵供暖空調系統主要分三部分：室外地能換熱系統、熱泵機組和室內空調末端系統。工作原理就是在地下埋設管道作為換熱器，管道與熱泵機組連接形成閉式環路，管道中有液體流動通過循環將熱泵機組的凝結熱通過管道散入地下（供冷工況），或從大地吸取熱量供給熱泵機組向建筑物供熱（供熱工況）。其中水源熱泵機主要有兩種形式：水—水式或水—空氣式。三個系統之間靠水或空氣換熱介質進行熱量的傳遞，水源熱泵與地能之間換熱介質為水，與建筑物空調末端換熱介質可以是水或空氣，系統的關鍵是大地換熱器的設計和施工。地源熱泵的特點有：

1、屬于可再生能源利用技術

地表淺層好象一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能，比人類每年利用能量的500倍還多。這種近乎無限、不受地域、資源限制的低焓熱能，是人類可以利用的清潔可再生能源。并且地能不象太陽能受氣候的影響，也不象深層地熱受資源和地質結構的限制。另外地源熱泵冬季供暖時，同時對地能蓄存冷量，以備夏用，夏季空調時，又給地能蓄存熱量，以備冬用。因此說地源熱泵是可再生能源利用技術。

2、高效節能和低的運行費用

由于地源溫度全年相對穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高40%，因此要節能和節省運行費用40%左右。

3、環境效益顯著

既不破壞地下水資源，又無任何污染，可以建造在居民區內，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。

4、一機兩用

地源熱泵可供暖供冷，全年冷熱供應，節省投資和占地。地源熱泵這種可再生能源利用技術，高效節能且無任何污染，順應了國際能源發展大趨勢，也順應了我國的能源與環保政策，是值得研究與大力發展的可再生能源利用方式。

二、地源熱泵空調系統

1、地源分類

地源按照室外換熱方式不同可分為三類：

（1）土壤埋盤管系統；

（2）地下水系統；

（3）地表水系統；

根據循環水是否為密閉系統，地源又可分為閉環和開環系統。閉環系統如埋盤管方式（垂直埋管或水平埋管），地表水安置換熱器方式。開環系統如抽取地下水或地表水方式。此外，還有一種“直接膨脹式”，它不象上述系統那樣采用中間介質水來傳遞熱量，而是直接將熱泵的一個換熱器（蒸發器）埋入地下進行換熱。

2、地源熱泵應用方式

地源熱泵從應用的建筑物對象分可分為家用和商用兩大類，從輸送冷熱量方式分可分為集中系統、分散系統和混合系統。

（1）家用系統：用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風管輸送系統進行冷熱供應，多用于小型住宅，別墅等戶式空調。

（2）集中系統：熱泵布置在機房內，冷熱量集中通過風道或水路分配系統送到各房間。

（3）分散系統（又稱水環路熱泵系統）：用中央水泵，采用水環路方式將水送到各用戶作為冷熱源，用戶單獨使用自己的熱泵機組調節空氣。一般用于辦公樓、學校、商用建筑等，此系統可將用戶使用的冷熱量完全反應在用電上，便于計量，適用于目前的獨立熱計量要求。

（4）混合系統：將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯合使用作為冷熱源的系統，混合系統與分散系統非常類似，只是冷熱源系統增加了冷卻塔或鍋爐。南方地區，冷負荷大，熱負荷低，夏季適合聯合使用地源和冷卻塔，冬季只使用地源；北方地區，熱負荷大，冷負荷低，冬季適合聯合使用地源和鍋爐，夏季只使用地源。這樣可減少地源的容量和尺寸，節省投資。

（5）水環路熱泵空調系統：水環路熱泵空調系統，它由許多臺水源熱泵空調機組成。這些機組由一個閉式的循環水管路連在一起，該水管路既作空調工況下的冷源，又作供暖工況下熱泵熱源。水環路的冷熱源可以是地源，或鍋爐、冷卻塔聯合方式。夏季運行：全部或大多數機組為供冷，熱量水環路排至室外的冷源，如地源或冷卻塔。春季/秋季運行：對有內區與周邊區的建筑物，會出現內區需要供冷而周邊區需要供熱，內區的熱量就可被周邊區所利用，即內區空調的排熱與周邊區熱泵供熱所需熱量接近平衡時，室外的冷熱源可以停運。這種制冷供熱同時進行，能量在建筑物內部轉移，運行費用最少，節能效果明顯。冬季運行：全部或大多數機組為供熱，供熱源把熱量補充到水環路。

三、地源熱泵系統在別墅設計中的經濟性比較：

1、地源熱泵的經濟性

地源熱泵是一種高效的節能、環保技術，但地源熱泵是否具有經濟競爭力將是地源熱泵能否實際應用的一個關鍵問題。由于涉及的因素多，不同地區，不同能源結構及價格等都將直接影響地源熱泵的經濟性，這里以一例來說明地源熱泵與傳統供暖空調系統的經濟性進行比較。

以某別墅區為例作計算，共有別墅50套，總建筑面積1.8萬m2，按熱負荷指標55W/m2和冷負荷指標80W/m2來估算每套別墅及總的熱（冷）負荷。

對下述三種方案進行投資和運行費用的比較，計算結果見表1：

（1）每套別墅單獨安裝自己的供暖空調系統，如冬天采用快裝式燃氣鍋爐，

夏天采用分體空調， 分體空調的制冷系數按2.8計算。

（2）集中式供暖空調方式，如冬天采用燃氣鍋爐，夏天采用集中空調， 制冷系數按3.4計算。

（3）地源熱泵采用水環路熱泵空調系統，水源熱泵的制熱、制冷系數按4計算。由此可比較各方案的單位面積耗氣、電費用，方案1的供暖空調成本比方案3分別高出79%和43%方案2的供暖空調成本比方案3分別高出109%和57%。

（4）地源熱泵

地源熱泵方案3的年耗氣、電費用最小，比方案2少27.77, 萬元，雖然方案3總投資比方案2高出42萬元，但在2年之內即可將此差額收回。應注意的是采用地源熱泵方案時，熱泵主機的購買是隨房屋購買情況分期分批購買的，如一開始購買10套，主機購買費用就為45萬元，而不是225萬元，這樣初投資只有390萬元。

結束語

開源節流，尤其是開發各種可再生新能源將是實現我國經濟可持續性發展的關鍵。我國地域寬廣，蘊藏著豐富的地表淺層地能資源，因地制宜地采用不同形式的地源熱泵技術可以有效地提高低溫地熱資源，同時克服傳統熱泵空調技術的局限與不足，是非常有意義和具有實用價值的，在節約能源、防治環境污染和城市現代化方面有著較大的意義。

參考文獻

[1] 王麗莉.淺議暖通空調設計的幾個問題[J]. 中國新技術新產品. 2011(12)：36—45

[2] 魏燕鑫,左風云.淺論地源熱泵技術在暖通空調節能中的運用[J]. 中華民居. 2011(04)：57—47

[3] 李新國,趙軍,朱強.地源熱泵供暖空調的經濟性[J]. 太陽能學報. 2001(04)：73—66

[4] 胡鳴明,劉憲英.國外地源熱泵的發展歷史與設計方法[J]. 制冷與空調(四川). 2013(02)：46—52

[3]李新國. 地源熱泵—供暖空調節能環保技術[J].節能與環保2001，（2）：56—37