地源熱泵應用及其發展趨勢分析

陳華 劉之光 夏佐強

天津商業大學機械工程學院

0 引言

地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源既可供熱又可制冷的高效節能空調系統[1]。地源熱泵技術上世紀80年代后期開始在世界范圍內應用，近年來全世界每年以20%以上的速度在增長[2]。它有三大優點：一是比其他常規空調系統可節能40%左右；二是環保不排放任何廢棄物；三是運行費用可降低40%～50%[3]。

雖然地源熱泵相比于傳統空調系統具有節能減排的優勢，但是在應用過程中也會遇到很多問題，如制熱（冷）量不足、效率低等，這會降低節能效果，影響其推廣應用。針對這些問題，近年來出現了地源熱泵與太陽能、地源熱泵與冰蓄冷結合的技術，在一定程度上克服了這些缺陷，成為地源熱泵技術的發展趨勢。當然地源熱泵與其他技術的結合需要繼續進行研究分析，以使地源熱泵技術更好地發揮其優勢，更廣泛地應用。

1 地源熱泵-太陽能復合系統

1.1 原理

地源熱泵-太陽能復合系統是以淺層地熱能以及太陽能為能量來源，將地源熱泵系統和太陽能集熱系統進行優化組合，用來對建筑物冬季供暖、夏季供冷及制取生活熱水的系統。地源熱泵-太陽能復合系統是由地源熱泵機組、太陽能集熱系統、地熱能交換系統、建筑物內系統組成的，復合系統示意圖如圖1。

圖1 復合系統示意圖

圖2為太陽能-地源熱泵復合系統原理圖，此系統的運行模式是由地下埋管換熱系統與太陽能集熱系統聯合運行。利用這套系統可以實現建筑物夏季供冷、冬季供暖、全年生活熱水的供應以及地下蓄能等功能，可保證地埋管區域土壤吸放熱量的動態平衡，從而使得地下溫度場保持穩定的變化，機組運行工況穩定，同時可以提高地下換熱器換熱效率與熱泵運行能效[4]。

圖2 太陽能-地源熱泵復合系統原理圖

1.2 不同季節系統流程

1.2.1 夏季供冷時的流程

復合空調系統夏季供冷時，是由地源側循環系統、負荷側循環系統、太陽能集熱循環系統組成，地源熱泵系統和太陽能集熱系統都各自獨立運行，負荷側循環系統正常開啟。地源熱泵系統作為建筑物的供冷冷源，太陽能集熱系統作為建筑物的生活熱水熱源[5]。

1.2.2 秋季蓄熱時的流程

復合空調系統秋季運行時，地源側循環系統的地源熱泵機組停止運行，負荷側循環系統也停止運行，太陽能集熱循環系統正常運行，地源側循環泵開啟。太陽能集熱系統除了滿足生活熱水外，其余采集的熱量都通過地埋管蓄存到地下，以備冬季供暖時使用[6]。

1.2.3 冬季供熱時的流程

復合空調系統冬季運行時，依然是由地源側循環系統、負荷側循環系統、太陽能集熱循環系統組成，地源熱泵系統和太陽能集熱系統聯合運行，負荷側循環系統正常開啟，地埋管換熱器和太陽能集熱器同時作為供暖的熱源[7]。熱泵機組蒸發器所提取的熱量，一部分來自太陽能集熱器，一部分來自地下換熱器[8]。

該熱泵機組在制熱模式下，蒸發器進水溫度10℃，出水溫度6℃，冷凝器進水溫度40℃，出水溫度45℃；制冷模式下，蒸發器進水溫度12℃，出水溫度7℃，冷凝器進水溫度25℃，出水溫度30℃。在末端系統選配方面，選用的末端夏季供水溫度可比7℃提高，冬季可比正常采暖溫度低，就可以充分利用低品位能源，機組COP將大大提高[9]。此外，末端應采用獨立新風系統即新風負荷單獨處理，末端設備只承擔室內顯熱負荷就可以達到要求，即采用地源熱泵新風溫濕度獨立調節高效干式末端（毛細管、誘導冷梁、干式盤管），即可有效提高系統的節能性。如毛細管輻射供冷時，夏季可將供水溫度由7℃提高到16℃，冬季可將供水溫度從50℃以上降到32℃，機組COP則可由5提高到8以上，以實現更好的節能效果。

1.3 應用及節能情況

太陽能-地源熱泵組合系統用于全年供冷供暖空調和生活熱水供應是完全可行的。由于主要利用可再生資源，所以使用組合系統具有明顯的經濟效益。只要通過合理設計，太陽能-地源熱泵組合系統提供的能量可以占建筑物采暖、空調與熱水負荷總能耗的60%以上，比常規地源熱泵系統節能20%以上，但初投資比較大。

我國蘊涵著豐富的太陽能和地表能，開發、推廣應用空間很大。如果有100萬m2建筑采用太陽能-地源熱泵系統，每年可節約標準煤12萬噸，減少煙氣排放量1億m3，并且運行費用比傳統空調低30%～60%[10]。

2003年，Andrew D Caisson與 Cenk Yavuzturk，對太陽能集熱器輔助加熱的地源熱泵系統進行了模擬研究，結果表明：在以供暖為主的地區，帶有太陽能集熱器的地源熱泵系統在經濟上是可行的，且具有明顯的節能效果[11]。

楊衛波研究表明：聯合運行模式不僅可以改善熱泵性能，提高日間系統運行效率，還可以把U型埋管作為一個熱源緩沖體，起到日間暫時儲存富余太陽能作用的目的，以改善夜間運行效率。聯合運行時太陽能與地熱能熱源承擔熱負荷比例為43.3%∶50.2%，相比單獨地源熱泵，聯合運行模式的節能率為8.8%～10.1%[12]。

劉逸等通過對太陽能-地源熱泵式空調系統的實測數據與理論計算得出系統冬季運行COP平均可達4.5，夏季運行COP平均可達3.8[13]。

1.4 存在問題分析

1）由于受太陽能集熱器的影響，太陽能空調普遍存在著效率低、價格高的問題。太陽能空調中的太陽能集熱器可以與太陽能熱水器通用。隨著太陽能熱水器技術的發展，太陽能集熱器的效率會逐漸提高。對于原來有太陽能熱水器的用戶可以進行改造，先制冷再用余熱洗澡，使其具有更好的經濟性。

2）集熱溫度、冷水溫度及冷卻水溫度應各為多少，才能建立一個最為經濟合理的太陽能空調系統，也是尚待解決的課題。只要有了合適的集熱器和制冷機，才能建立經濟合理的太陽能空調系統。

3）由于太陽能的收集存在時效問題，蓄熱技術也必須得到很好的解決以實現太陽能空調系統應用的隨意性和連續性。

4）對于居住相對集中的樓房，集熱器的安裝受到很大的限制，這主要是因為太陽能空調的安裝不普遍，樓房的設計沒有考慮到太陽能空調。要通過太陽能應用與建筑一體化設計來解決這個問題。

5）目前，還沒有太陽能空調系統的計算機設計軟件、控制芯片、技術標準、統一的配套設備和零部件，這是科技與市場結合的問題。解決這一問題需要太陽能空調形成一定的規模,占領一定的市場，還需要政府和科技部門給予支持。

6）使用地源熱泵系統易造成地下土壤的冷熱量不平衡，不利于空調的運行和環境的保護。解決以上問題，必須保證冷熱負荷的平衡[14]。

2 冰蓄冷與地源熱泵耦合應用技術

地源熱泵技術雖然可以供熱供冷，但無法在夜間電力低谷時蓄冷，進而“削峰填谷”。冰蓄冷技術雖然可以起到“削峰填谷”的作用，卻無法在冬季供暖。而將這兩項技術嫁接到一起，可以取長補短，優勢互補。

2.1 不同季節系統流程

2.1.1 夏季供冷時系統流程

地埋管地源熱泵與冰蓄冷聯合運行空調系統夏季供冷時，由冷卻循環、制冷循環、蓄冰循環和供冷循環四個子系統組成，如圖3所示。

圖3 地源熱泵與冰蓄冷聯合運行空調系統夏季供冷流程

1）冷卻循環。從冷凝器出來的熱水進入地熱換熱器中進行熱交換，將熱量排入大地。

2）制冷劑循環。熱泵機組中的制冷劑將蒸發器中載冷劑的熱量吸收，在冷凝器中與冷卻循環中的水進行熱交換，將熱量從熱泵系統中轉移出去。

3）蓄冰循環。載冷劑在蒸發器中降溫后向蓄冰槽充冷，蓄冰槽蓄冷。

4）供冷循環。蒸發器或蓄冰槽向空調換熱器供冷，提供室內所需的冷量。其中在供冷循環中又可以分為三種運行模式：

①常規空調供冷模式。此時蓄冰槽不工作，系統將來自熱泵機組蒸發器的溫度較低的載冷劑供至板式換熱器，以產生空調用冷水。

②蓄冰槽單獨供冷模式。此時僅從蓄冰槽融冰取冷，通過板式換熱器冷卻空調用水，熱泵機組制冷工況停止運行[15]。

③聯合供冷模式。此時熱泵機組和蓄冰槽聯合向空調設備供冷。由于夏季地溫比環境溫度低，地源熱泵機組冷凝壓力降低，壓縮機輸入功率減少，使制冷性能比空氣源熱泵機組有較大提高。在空調日負荷較高時，夜間熱泵機組蓄冷，日間啟動熱泵機組的制冷工況和蓄冷設備同時供冷。這樣設計可使蒸發溫度及冷凝溫度波動不大，從而保證了熱泵機組的穩定運行。

2.1.2 冬季供熱時系統流程

冬季供熱時地埋管地源熱泵與冰蓄冷聯合運行系統簡化為地源熱泵供熱系統，運行流程如圖4所示。地熱換熱器中的循環液在蒸發器中將熱量傳給制冷劑，通過制冷劑循環將熱量轉移到室內[16]。

圖4 地源熱泵與冰蓄冷空調聯合運行系統冬季供熱流程

2.2 應用及節能情況

地源熱泵聯合冰蓄冷空調系統有著較大的市場應用前景：

1）小型別墅逐年增多，地源熱泵聯合冰蓄冷空調系統是富裕起來的城鄉居民家庭空調的首選機型，這部分居民占我國人口的比例不大，但絕對數不小；

2）城市綠化面積擴大，也為一些低層住戶、小型商業及辦公用戶提供了使用地源熱泵聯合冰蓄冷空調系統的條件；

3）工礦企業的辦公、計量、化驗、檢測等附屬用房也具有使用地源熱泵聯合冰蓄冷空調系統的條件；

4）采用冰蓄冷空調，冷凍水溫度可降至1～4℃，能實現冷凍水大溫差或低溫送風，減少空調末端系統中水泵與風機的運行能耗，降低水管、風管的管徑，有利于降低空調末端系統投資和提高建筑物空間利用效率。據國外資料介紹，在定負荷運行情況下，蓄冷空調比非蓄冷空調年節能率為13%；

5）為解決電力負荷不均的問題，我國將進一步拉大峰谷電價比，與國際通行峰谷電價比例靠攏，以鼓勵利用低谷電。隨著“峰谷電價”政策的全面實行，地源熱泵戶型蓄冰中央空調將會有更為廣闊的市場前景[17]。

如蘇州某研究院項目，采用冰蓄冷與地源熱泵耦合技術，一次性投資比單純地源熱泵系統節省20%，運行電費節省27%，采暖能源費用較燃油鍋爐節省40%；根據測算，每年還可節水約5萬t，減少CO2排放3萬t，每年至少減少燃煤消耗6000t，減排煙氣量1.8億m3；同時，由于采用了冰蓄冷地源熱泵耦合節能技術，項目業主獲得了600萬元的政府補貼。該項目于2009年12月投入試運行，冰蓄冷適應建筑物分步建成投入使用的技術特性也得到了較好的驗證，目前已投用建筑空調使用負荷約為設計負荷的60%。截止到2010年8月底，空調系統基本處于全融冰模式運行，土壤溫度和冷卻水溫度持續穩定，支付電費約35萬元，遠優于設計目標，系統運行得到用戶充分肯定[18]。

2.3 存在問題分析

1）對于地埋管地源熱泵與冰蓄冷聯合運行空調系統優化控制策略方面的設計研究還不夠。

2）在地埋管地源熱泵與冰蓄冷聯合運行空調系統的能耗分析中,需進一步研究不同的全年累計冷熱負荷不平衡率對系統運行效率及逐年運行費用影響。

3）對于系統能耗及經濟性的分析僅局限于理論分析和計算機模擬分析，結合實際工程的實測分析還不夠。

3 結束語

近年來，地源熱泵在建筑中應用得越來越廣泛，我國的建筑節能及環保方面發揮了越來越重要的作用，而將地源熱泵與其他技術結合起來，又有以下優勢：

1）將地源熱泵與太陽能結合可以實現建筑物夏季供冷、冬季供暖、全年生活熱水的供應以及地下蓄能等多種功能，保證地埋管區域土壤吸放熱量的動態平衡，同時可提高地下換熱器換熱效率與熱泵運行能效；

2）將地源熱泵與冰蓄冷結合，可共用機組，節約初投資和占地空間，在一定程度上解決了污染問題，而且還為平衡電網負荷做出了貢獻；該系統運行經濟，具有明顯的節能潛力。

相信只要揚長避短、優化設計，地源熱泵與其他技術聯合構建的復合式新型能源系統將具有廣闊的發展前景。

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