地源熱泵空調系統應用可行性研究

馬紅軍

1 概念

地熱能是地球內部貯存的熱能，它包括地球深層由地球本身放射性元素衰變產生的熱能及地球淺層由接收太陽能而產生的熱能。地源熱泵技術是利用地球吸收太陽能和地熱能而形成的淺層低位熱能資源，并采用熱泵原理，通過少量的電能輸入，實現低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。

2 系統原理

地球表面是一座巨大的天然太陽能集熱器和儲熱庫，溫度受天氣變化影響較大的部分主要集中在地表面至地下10 m之間的區域內，從10 m深度再往下，土壤溫度就穩定在當地全年的平均氣溫了。我國大部分地區這個溫度都在15℃左右，如果把這樣的溫度搬運到地面上來稍做處理，就可成為很好的空調系統，這就是目前淺層地熱能利用的主要方式。

3 系統分類

按地熱源的種類不同，可分為土壤熱泵系統(Ground-Couple Heat Pump，GCHP)、地下水熱泵系 統(Ground-Water Heat Pump，GWHP)、地表水熱泵系統(Surface-Water Heat Pump，SWHP)，土壤熱泵的運用范圍最為廣泛，因此本文主要討論的是土壤熱泵系統。

4 系統構成

地源熱泵空調系統的主要構成包括:地熱能熱泵、地熱交換器、膨脹水箱、循環水泵等。

5 應用情況

5.1 發展與推廣

1)國外發展與應用。1985年美國全國共有1.4萬臺地源熱泵，而1997年就安裝了4.5萬臺，到2001年為止已安裝了40多萬臺，而且每年以10%的速度穩步增長，其中新建筑占30%。

中北歐如瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要是把利用淺層地熱資源即地下土壤埋管的地源熱泵用于室內地板輻射供暖及提供生活熱水。據1999年統計，在家用的供熱裝置中，地源熱泵所占比例:瑞士為96%，奧地利為38%，丹麥為27%。

2)國內發展與應用。20世紀90年代開始推廣和研究地源熱泵系統。從2000年以來，地源熱泵的開發利用在全國得到普遍推廣，每年以10%～15%的速度增長。

5.2 主要產品品牌

國內做地下水源熱泵的品牌很多，但涉及地源熱泵還是主要以國外品牌為主:特靈(TRANE)、美意(MAMMOTH)、沃富(WFI)、宜康能(ECONAR)、芬尼克茲(PHNIX)、麥克維爾(MCQUAY)。國內的品牌有清華同方等。

6 應用可行性分析(以上海為例)

6.1 區域適用性

上海地區屬于夏熱冬冷地區，近幾年最熱月平均氣溫已達30.2℃、最冷月平均氣溫為4.2℃，最冷月與最熱月平均相對濕度分別為75%，83%，高于35℃的酷熱天氣長達半個月到一個月，日平均溫度低于5℃的天數長達兩個月以上，因此每年傳給土壤的冷熱量基本相同，其氣候條件適合推廣地源熱泵。

6.2 技術優勢

1)可再生能源利用技術。地源熱泵是利用地球表面淺層低能資源作為冷熱源進行能量的供熱制冷空調系統。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能量，這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使地能成為清潔的可再生能源。2)經濟有效的節能技術。地熱資源的溫度一年四季相對穩定，冬季比環境溫度高，夏季比環境溫度低，是很好的冷熱源。這種溫度特性使得制冷、制熱COP系數可達3.5～4.5。3)環境效益顯著。替代空氣源熱泵，沒有空調熱污染和室外機噪聲污染;替代鍋爐燃燒供熱，沒有排放物和廢棄物;制冷劑比常規空調減少25%的填充量，屬自含式系統，因此制冷劑泄漏幾率大為減小。4)采暖、供熱及制冷一體化。地源熱泵系統可同時分區供暖、制冷，還可供生活熱水，一機多用，一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的配置。5)美化建筑立面。無空調室外機、無冷卻塔，不會破壞建筑外立面。

6.3 缺點

1)地下換熱器會占用較大地面空間，故該系統僅適用于建筑物周邊有較大地面空間的情況。2)負荷側水路存在滲漏水的威脅。3)地下換熱器的施工工藝對系統的穩定性影響較大，因為換熱器一旦投入使用將難以維修。

表1 兩種常用空調系統與地源熱泵機組初期投資比較

6.4 經濟成本分析

以下以空調面積為156.6 m2的別墅項目為例，分別配置大金VRV中央空調、美的VRV中央空調這兩種常用空調系統與特靈風冷熱泵機組、特靈地源熱泵機組進行比較，從初期投資和運行成本兩方面考慮(配置及報價來自空調公司的方案)。

1)初期投資見表1。2)運行成本見表 2。3)總成本見表3。

表2 運行成本比較

表3 總成本比較

由以上分析可得出以下結論:1)初期投資，地源熱泵的初期投資較高，比大金VRV系統高出30%。2)運行成本，地源熱泵的運行成本較低，比大金VRV系統節約30%。3)從10年運行的投資總成本來看，地源熱泵和大金VRV系統基本接近。

6.5 可行性分析

1)住宅的節能化是必由之路，而地源熱泵技術正是其中重要的節能手段之一。因此地源熱泵的應用是可以預見的發展趨勢。2)從技術上來說，水—水熱泵/水—空氣熱泵是目前應用較為廣泛而成熟的技術，而換熱器的主要材料HDPE管在生產工藝和使用技術上也已比較成熟，在埋地情況下，使用年限可達50年以上。3)從前面分析可以看出酒店、會所是地源熱泵應用較為合適的場所。經過10年甚至更長時間的使用，其較高的投資成本是可以收回的。

7 結語

上海地區在新建酒店、會所等公共建筑應用地源熱泵技術具有廣闊前景。

[1] 楊艷紅，倪國葳，馬 卉.地源熱泵技術與建筑節能[J].山西建筑 ，2009 ，35(11):175-176.