地源熱泵在建筑節能中的應用

高源

（中油遼河工程有限公司熱力工程所，遼寧 盤錦 124010）

隨著社會經濟的發展和人們生活水平的提高，居住環境的舒適性和低碳環保越來越成為現代綠色建筑的新標準。我們應采取各種有效的技術和管理措施，公共建筑和住宅的供暖和空調已成為人們的普遍要求，空調早已悄悄進入我們的生活。作為目前改善建筑熱舒適條件的工具，在上海空調家庭擁有率已達到平均1臺以上。作為中國傳統供熱模式的燃煤鍋爐不僅能源利用率低，燃氣鍋爐運行費用又相對較高，而且還會給大氣造成嚴重的污染。地源熱泵正以其節能、環保和可持續發展的突出優點，如何在建筑熱舒適條件得到改善的條件下把建筑耗能量減下來，日益成為空調供暖工程優先選擇的方案之一。減輕對大氣環境的污染，隨著空調設備的日益普及，建筑耗能量勢必將迅猛增加，成了暖通界人士首要其沖需要解決的問題。對大氣環境的污染也將日趨嚴重。在保證使用功能不降低的情況下，對原有建筑物有計劃地進行節能改造，把新建房屋建筑的能耗較大幅度地降下來，地源熱泵作為一種有益環境、節約能源和經濟可行的建筑物，達到節省能源、保護環境和提高人民生活質量的目的，供暖及制冷新技術越來越受到關注。

1 地源熱泵的現狀

美國是世界上地源熱泵生產、使用和發展的頭號大國。1946年，美國第一臺地源熱泵系統在波蘭特市中心區安裝成功。1994年，美國政府第一套地源熱泵空調系統在俄勒岡州國會大學安裝，地源熱泵從此在美國政府、軍隊、電力公司等得到了大量應用。1998年，美國環保署頒布法規，要求在全國聯邦政府機構的建筑中推廣應用地源熱泵系統。地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源，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系統。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源，現低溫位熱能向高溫位轉移。地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調的冷源，即在冬季，把地能中的熱量“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，釋放到地下去。全球75%的地源熱泵系統安裝在北美地區。

1.1 地源熱泵技術認識不足

國內大型地源熱泵的發展，大部分都是以商家宣傳的使用效果為主，但是之前大型地源熱泵在全世界各國均未得到大量開發和使用，在某些程度上看是起源于國外小型地源熱泵機組的引進和應用，正對工程設計人員有參考價值的資料較少，容易保守地選擇老品牌，許多人對老技術和老品牌過于依賴，造成了選擇失誤。

1.2 施工設計參數不合理

地下溫度變化特性根據地區的不同，因為沒有更多的創新技術和經驗，巖土結構的不同差異較大，所以缺少更多、更先進，其是對淺層恒溫的利用，更實用的指導性規范和實用性可參考的資料。尤只要工程施工質量良好，節能不好，冷暖效果不好，專業性規范和可操作性工具資料缺乏。

2 地源熱泵系統

2.1 工作原理

地源熱泵是利用地下地熱資源的高效節能環保型空調系統，可實現能量從低溫熱源向高溫熱源的轉移。地源熱泵系統在制冷狀態下，地源熱泵機組內的壓縮機對冷媒做功，使其進行汽-液轉化的循環。冬季熱泵機組從地源中吸收熱量，并向建筑物內供暖，夏季熱泵機組從室內吸收熱量并轉移釋放到地源中實現制冷。在室內熱量通過室內采暖空調末端系統、水源熱泵機組系統和室外地能換熱系統不斷轉移至地下的過程中。通過冷媒/空氣熱交換器內冷媒的蒸發，將室內空氣循環所攜帶的熱量吸收至冷媒中，最終通過室外地能換熱系統轉移至地下水或土壤里。在冷媒循環的同時再通過冷媒/水熱交換器內冷媒的冷凝，地源熱泵機組內的壓縮機對冷媒做功，并通過四通閥將冷媒流動方向換向。由循環水路將冷媒中所攜帶的熱量吸收，由室外地能換熱系統吸收地下水或土壤里的熱量，地源熱泵系統在制熱狀態下，通過水源熱泵機組系統內冷媒的蒸發，將水路循環中的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環的同時再通過冷媒/空氣熱交換器內冷媒的冷凝。

2.2 系統劃分

根據地熱交換系統形式的不同，地源熱泵系統主要由室外地能換熱系統、熱泵機組系統和室內采暖空調末端系統3個部分組成。地源熱泵系統分為。地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統，和地埋管地源熱泵系統組成。3個系統之間靠水或空氣進行熱量傳遞，與建筑物采暖空調末端之間的換熱介質，水源熱泵機組與地能之間換熱介質為水。

3 地源熱泵在建筑節能中的發展

中國經濟高速增長，社會購買力大大增強，隨著科技的發展，地源熱泵的技術將更加成熟和完善，地源熱泵的高初投資對其應用的影響將越來越小，地源熱泵必將擁有更加廣闊的發展前景。地源熱泵系統緊湊，省去了鍋爐房和冷卻塔，節省建筑空間，也有利于建筑的美觀。節能、環保、可持續發展已經成為世界發展的三大主題。地源熱泵在中國的研究與應用還處于起步階段，熱泵工質的研制和開發還需要進一步深入進行，各地區的地下熱源狀況、土壤熱物性資料還需要進一步搜集和整理，地源熱泵的系統性能優化和經濟性分析也尚待深化。地源熱泵系統可供暖、空調，還可供生活熱水，套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統，但地源熱泵系統被認為是目前可使用的對環境最友好和最有效的供熱、供冷系統。根據國外的經驗，由于地源熱泵運行費用低，可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑。不同地區，不同地質條件，不同能源結構及價格等都將直接影響到其經濟性。地源熱泵系統在整個服務周期內的平均費用將低于傳統的空調系統。地源溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，整個系統的維護費用也較鍋爐-制冷機系統大大減少，增加的初投資可在3～7年內收回，保證了系統的高效性和經濟性。

結論

近年來，大型水/地源熱泵新技術在中國已經開始不斷創新和發展應用，在一定程度上，催生了全球化熱泵冷暖的發展，引領了新能源技術產業發展創新的新潮流，大型熱泵冷暖技術和節能減排事業發展并將成為主流。

[1]曾和義，方肇洪.U型埋管地熱換熱器中介質軸向溫度的數學模型[M].山東建筑工程學院學報，17(1):7-12，2002.

[2]方肇洪，刁乃仁，蘇登超，崔萍.豎直U型埋管地源熱泵空調系統的設計與安裝[M].現代空調，中國建筑工業出版社，2001.Vo.l 3，101-105.

[3]柳曉雷，王德林，方肇洪.豎直埋管地熱換熱器的傳熱模型與計算[J].建筑熱能通風空調，21(2):1-3，2001.

[4]于明志，方肇洪.土壤凍結對地熱換熱器傳熱的影響[M].山東建筑工程學院學報，16(1)，2001.