地源熱泵技術工作原理及在暖通工程中的應用設計

梁永輝

（邢臺守敬建筑設計有限公司 河北 邢臺 054000）

【摘 要】 本文介紹了地源熱泵技術的工作原理和特點，分析探討了地源熱泵的工程設計應用。

【關鍵詞】 暖通工程；地源熱泵技術；應用設計

Ground source heat pump technology and application design works in HVAC engineering

Liang Yong-hui

(Architectural Design Co., Ltd. Xingtai Shoujing Xingtai Hebei 054000) 

【Abstract】 This article describes the ground source heat pump technology works and characteristics, analyzes and discusses the engineering design of ground source heat pump.

【Key words】 HVAC engineering;Ground source heat pump technology;Application Design

地源熱泵技術是一種高效的節能環保型供熱、空調技術。該技術是以地球表面淺層地熱資源作為冷熱源，利用熱泵工作原理，通過少量的高位電能輸入、實現低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。地表淺層地熱資源是指地表土壤、地下水河流、湖泊吸收太陽能而蘊藏的低位熱能，是一種清潔、可再生的能源。地源熱泵技術作為一種有益于環境保護和可持續發展的冷熱源形式，在美、加與歐洲已有幾十年的應用歷史，應用范圍涉及空調、采暖、生活熱水供應及一些工業和工程上的冷熱源提供，被美國能源部與環保署共同認為是當今世界上最高效，最環保清潔的供暖與空調技術。隨著常規能源資源的日趨減少和人們對節能、環保要求的不斷提高，地源熱泵技術將在我國的采暖空調等行業有較大的應用和發展。

1. 地源熱泵技術的工作原理

1.1 地源熱泵的分類。根據地熱源的種類和方式不同，地源熱泵可分為以下三類：

（1）土壤源熱泵土壤源熱源（也叫大地耦合式熱泵）以大地作為熱源，熱泵的換熱器埋于地下，與大地進行冷熱交換。土壤源熱泵系統主機通常采用水——水或熱泵機組或水——氣熱泵機組。根據地下熱交換器的布置形式，主要分為垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三類。

（2）地下水熱泵系統地下水熱泵系統，是一種以水體為低位熱源，利用地下水式水源熱泵機組為空調系統制備與提供冷/熱水，再通過空調末端設備實現房間空氣調節的系統形式。地下水熱泵系統的優勢是造價要比土壤源熱泵系統低，另外水井很緊湊，不占什么場地，技術也相對比較成熟，水井承包商也容易找。但存在其劣勢就在于：有些地方法規禁止抽取或回灌地下水；可供的地下水有限；如水質不好或打井不合格要注意水處理；如泵選擇過大、控制不良或水井與建筑偏遠，泵耗能就會過大。

（3）地表水熱泵系統地表水熱泵系統主要有開路和閉路系統。地表水熱泵系統具有相對造價低廉、泵耗能低、維修率低以及運行費用少等優點。在寒冷地區，開路系統并不適用，只能采用閉路系統。但是，在公共用的河水中，管道或水中的其他設備容易受到損害。另外，如果湖泊過小或過淺，湖泊的溫度會隨著室外氣候發生較大的變化，這就會產生效率降低，制冷或供熱能力降低的后果。

1.2 地源熱泵的工作原理。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。

2. 地源熱泵技術的特點

2.1 地源熱泵是清潔的可再生能源利用技術。地表淺層土壤和水體是一個巨大的太陽集熱器，同時地球深部的熱能也會通過地表向大氣層散失。人類每年消耗的全部能量，只是地表吸收和散發的太陽能和地熱能的極小的一部分。地表能量被利用后，可由太陽能和地球深部傳導上來的熱量很快平衡，不會對自然界的能量系統造成不良影響。因此淺層地表能量是一個取之不盡的可再生清潔能源庫。

2.2 高效、節能，運行費用低。地下土壤或水體溫度冬季比環境溫度高，夏季比環境溫度低，且始終保持較為穩定的狀態。由于這一特點，地源熱泵機組的運行能效比或性能系數上升。美國環保署估計，設計安裝良好的地源熱泵，平均來說可以比常規空調節約40%～ 50%的運行費用。

2.3 一機多用運行穩定、可靠。地源熱泵系統可供暖、制冷和提供生活熱水，對于同時需求供暖、供冷的建筑，地源熱泵一套系統就可同時解決，節省了建筑的配套建設費用和配套設施占用面積，從而也增加了經濟性。

2.4 運行穩定可靠，壽命長。由于土壤或水體的溫度較為穩定，無論是寒冬還是酷暑，機組都在較為穩定的工況下運行，保證了機組的高效性，并有利于延長其使用壽命。通常，地下埋管部分的使用壽命可長達50 年，熱泵機組的壽命可達20年以上。

2.5 與空氣源熱泵相比，地源熱泵性能不受空氣溫度變化的影響，冬季不存在除霜問題，采用地源熱泵中央空調的建筑，室內溫度穩定，并因運行費用低，設計上可加大新風量，保證室內的舒適度。

2.6 系統簡單，維護費用低。地源熱泵中央空調系統組成簡單，地下或室外部分幾乎不需維護，室內部分的維護只需普通的制冷空調工即可勝任。

2.7 可實現區域控制，便于物業管理。區域控制最大的優點是，各區域機組可在同一時刻各自獨立進行制冷或制熱運行，避免能源浪費，充分體現地源熱泵中央空調系統的節能性和舒適性。

2.8 結構緊湊，節省機房面積。不需大型冷凍機房和鍋爐房，不需冷卻塔，不影響建筑美觀。小規格機組形式多樣，可直接安裝在室內，與室內裝修融為一體。

3. 地源熱泵的工程設計應用

3.1 關于地下水源開采、回灌和土壤換熱器的比較。

（1）近幾年來地源熱泵的部分形式是地下水源開采——回灌形式的水源熱泵系統。這種形式面臨的最大問題是回灌問題。華北、華東地區的地下水位下降，地面沉降問題一直很嚴重，多年來面臨嚴重的地沉問題，在利用向地下回灌來控制地面沉降的技術已用多年，積累了很多經驗教訓。

（2）地源熱泵土壤換熱器有多種形式，如水平埋管，豎直埋管等。這兩種埋管型式各有自身的特點和應用環境，在中國采用豎直埋管更顯示出其優越性。節約用地面積，換熱性能好，可安裝在建筑物基礎、道路、綠地、廣場、操場等下面而不影響上部的使用功能，甚至可在建筑物樁基中設置埋管，見縫插針充分利用可利用的土地面積。

（3）采用豎直埋管的土壤換熱器形式，不用開采和回灌地下水，沒有破壞自然環境的擔憂。另外的優點是系統運行更加穩定、安全，沒有需要更新和維修潛水泵的煩惱。

3.2 冬季避免采用防凍液介質。很多資料中介紹了防凍液的種類、性能等。在我國華北及以南區域，因為地下溫度不是很低，只要設計足夠的土壤換熱器數量，可以在使用水作為介質的情況下滿足需要。盡量不使用防凍液，避免使用不慎造成環境問題和因溫度太低降低熱泵效率。

3.3 系統的管材必需采用高強度惰性材料。土壤換熱器系統設計要保證水系統平衡，避免采用室外閥門調節的方式。

3.4 關于豎直埋管埋設。單U 型或雙U 型管的問題從工程實踐中看，總體來說單U型管方式優于雙U型管方式，但是同樣的換熱量單U 型管需要更多的孔數而增加了建設成本。

3.5 系統設計參數討論。關于（冷）熱源側水流量，要由最大得熱量和最大釋熱量確定的。埋管中水流速的選取取決于埋管循環流程長度，埋管材料，管徑大小，當地地源條件以及機組的特性要求。一般，如提高水流速度可適當增加換熱系數，強化換熱量，減小換熱面積和換熱管的耗材，但流速太快會增加循環水泵能量消耗。一般可取流速為0.65~1.5m/s。具體可當地條件進行優化分析與設計。優化設計時其復合能耗與埋管長度、埋管材料、管徑、地源溫度、地源熱指標、機組特性等因素有關。在機組選擇上，設定地埋管進水溫度，根據測井測出的進出水溫差推算出地埋管出水溫度，進而確定熱泵機組冬季的蒸發溫度和冷凝溫度?？傊覈鶈T遼闊，在不同地區氣候條件差異很大，其負荷也迥然不同。因此不能照搬國外的技術成果，而要開發適合我國氣候特點的技術。

4. 結語

總之，開源節流，尤其是開發各種可再生新能源將是我國經濟可持續發展的關鍵。我國地域寬廣，蘊藏著豐富的地表淺層地能資源，因地制宜地采取不同形式的地源熱泵技術可以有效地提高低溫地熱資源，同時克服傳統暖通空調技術的局限和不足，是非常有意和具有實際價值的，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。

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參考文獻

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［文章編號］1619-2737（2014）05-19-784

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