積極利用可再生能源、節能降耗：論地源熱泵技術

曹興東

從地源熱泵應用情況來看，歐洲國家主要偏重于冬季采暖，而美國則注重于冬夏雙工況運行。由于美國的氣候條件與中國很相似，因此研究美國的地源熱泵應用情況，對于我國地源熱泵的發展有著借鑒意義。地源熱泵技術原理分析，技術保障分析，節能分析。

蒸發器；冷凝器；原理；節能；技術保障

“地源熱泵”的概念最早于1912年由瑞士的專家提出，而該技術的提出始于英、美兩國。1946年美國建成第一個地源熱泵系統。但是這種能源的利用方式沒有引起當時社會各界的廣泛關注，無論是在技術、理論上都沒有太大的發展。過了幾年歐洲便開始了研究地源熱泵的第一次高潮，但由于當時的能源價格低，這種系統初投資大并不經濟，因而未得到推廣。直到20世紀70年代初世界上出現了第一次能源危機，地源熱泵技術才開始被受到重視，許多公司開始了地源熱泵的研究。這一時期，歐洲建立了很多水平埋管式土壤源熱泵，主要用于冬季供暖。雖然歐洲是世界上發展地源熱泵最成熟的地區，但是它也曾因為熱泵專家不懂安裝技術，安裝工人又不懂熱泵原理等因素，致使地源熱泵的發展走了一段彎路。

隨著科技的進步，關于能源消耗和環境污染的法律越來越嚴格，地源熱泵的發展迎來了它的另一次高潮。以歐洲國家為代表，大力推廣地源熱泵供暖和制冷技術。政府采取了相應的補貼政策和保護政策，使得地源熱泵生產和使用范圍迅速擴大。

地源熱泵技術是一種利用地熱資源（包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節能空調設備，因此地源熱泵按照利用地熱資源的情況大致可分為土壤源熱泵及水源熱泵兩種。地源熱泵能通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現由低溫位熱能向高溫位熱能轉移。地熱資源分別在冬季作為熱泵供熱的熱源和在夏季作為制冷的冷源，即在冬季，把地熱資源中的熱量取出來，提高溫度后，供給室內采暖；夏季，把室內的熱量取出來，釋放到大地中去。通常地源熱泵消耗1kWh的能量，用戶可以得到4kWh以上的熱量或冷量，是能效比較高的節能設備。

1.地源熱泵技術原理分析

長春卷煙廠地源熱泵技術概況。地源熱泵系統有兩個水循環系統，一個是室內端循環系統、一個是室外地埋換熱循環系統，整個系統的核心設備為主機系統，循環介質為制冷劑冷媒。

目前我廠采用的是土壤源熱泵技術，利用地源熱泵主機的冷凝器、蒸發器的溫差實現制冷和制熱。我廠地源熱泵系統負荷面積約為26000平方米（綜合樓、聯合工房輔房），末端空調方式為風機盤管、采暖為地板輻射（局部為散熱器），地源熱泵機房內設置有2臺意大利克萊門特雙工況螺桿式地源熱泵機組，單臺制冷量1163.6KW，單臺制熱量為1218.5KW。設置有一組利用動力中心鍋爐排氣余熱的板式換熱器，可以為室外地埋側水循環系統補充部分熱能來提高地溫，同時考慮備用情況設置一套與地源熱泵系統并聯可切換運行的汽-水換熱器，熱源為動力中心提供的飽和蒸氣，換熱量為2047.5KW。從系統結構上看，室外地埋側換熱系統共分為A、B、C三個區，A區位于綜合樓西側，共計115個換熱孔，B區位于廠前區廣場西側，共計160個換熱孔，C區位于廠前區廣場東側，共計220個換熱孔，三個區共有495個換熱孔，孔深100米，孔內為雙U型換熱管。機房內共設置3臺室內側循環水泵和3臺地埋側循環水泵，均按2用1備方式設置，循環泵采用變頻控制。補水系統采用全自動軟化水裝置、補水箱、落地式膨脹罐、補水泵的補水方式，利用檢測到的回水主管路的壓力變化，自動控制補水泵啟停（低起高停），達到系統恒壓運行的目的。

技術原理分析。冬季制熱時室內端循環系統的水流經主機的冷凝器、室外地埋換熱循環系統的水流經主機的蒸發器；主機工作時，壓縮機將制冷劑循環壓縮，制冷劑在蒸發器內通過節流閥產生相變（由液體變為氣體）吸收熱量，室外地埋換熱循環系統水的熱量在蒸發器內被提取出來，水溫降低，循環到室外地埋管換熱器中再從地下吸取熱量恢復水溫；制冷劑在冷凝器內通過壓縮機的壓縮再次產生相變（由氣體變為液體）釋放熱量，室內端循環系統的水在此被加熱升溫，循環到室內采暖系統散熱降溫后再次在冷凝器內加熱；這一過程循環往復就實現了把土壤中的熱量提取出來，經地源熱泵提升溫度供給室內采暖。

夏季制冷時室內端循環系統的水流經主機的蒸發器、室外地埋換熱循環系統的水流經主機的冷凝器；把土壤中的冷量提取出來經地源熱泵降低溫度供給室內空調系統。

夏季運行時，通過冷凝器和室外地埋換熱循環系統將熱量存儲到大地中，供下一個采暖期使用。冬季則通過蒸發器和室內循環系統將冷量存儲到大地中，供下一個夏季使用。大地就是一個冷熱量存儲的“銀行”，資源取之不盡、用之不竭。

2.系統可靠性的技術保障分析

此系統設計前要進行土壤的熱響應試驗，獲得可靠的數據后，使設計有準確的依據，才可以保證室外換熱系統的有效換熱孔數量、深度等參數是否滿足冬夏需求。

地埋側系統最好采用優質的PE管及管件，嚴格按照施工規范施工，做好地埋成品管道的保護，如管溝內回填一定量的中粗砂、交叉管之間鋪墊橡塑板、增加水平管的敷設深度等措施，達到進一步改進施工質量的效果。

地埋側系統要分區加裝流量平衡閥，保證整個系統流量均衡、溫升溫降一致；每個區的水平主管道全部采用同程式連接，有利于水力平衡，換熱充分。

分、集水器檢查井合理設置，每一個分集水器的每個支路帶換熱孔數量不宜過多，一般在10個以下，如果一旦某個換熱孔出現問題可以很方便的檢測到，并能保證換熱孔的安全性。

北方地區冬季漫長，冬季從土壤中正常取熱量大于夏季向土壤中蓄熱量，長期將造成土壤的熱平衡失衡，地溫逐年降低，造成“冰島”，影響系統的使用，這是地源熱泵系統在北方能否成功運行的關鍵問題，針對此問題我廠采取了解決冷熱平衡的措施。

利用鍋爐的排煙余熱與室外換熱系統換熱，將熱量蓄積到土壤中。夏季可以與聯合工房的空調系統聯通，高效的為生產工藝空調提供冷源，同時可以將熱量蓄積到土壤中。

3.節能體現及發展前景

總結起來看地源熱泵系統優點較多，節能高效，穩定可靠，一機多用，無環境污染，維護費用低，使用壽命長，機房系統節省空間，在能源消耗較大的當今形勢下，積極利用可再生能源，體現節能降耗勢在必行，這是國家、社會、企業以及每個人的責任。

北方可以采用地源熱泵技術供給采暖、空調；源熱泵技術節能效果好。

[1]陸耀慶主編.適用供熱空調設計手冊（第二版）

[2]曲云霞，張林華等.地源熱泵系統輔助散熱設備及其經濟性能[J].可再生能源，2003.33