地源熱泵技術在暖通空調節能中的優化應用分析

何風林

摘 要：近些年來，隨著我國科技的不斷發展，人們的生活水平得到了明顯的提高，越來越多的高科技應用到了人們的生活當中。文章所要研究的就是地源熱泵技術在暖通空調當中的應用，同時對地源熱泵技術的出現與發展進行詳細的介紹，對地源熱泵技術在暖通空調的應用中的內容進行介紹，目的是減少暖通空調使用過程當中能源的損耗，提高暖通空調的節能性能，對我國環境的保護工作帶來貢獻。

關鍵詞：地源熱泵技術；暖通空調；地熱

引言：

空調的出現給人們的生活帶來了便利，為人們創造了一個更舒適的生活環境。然而，在運行過程中，空調會消耗大量的能量。有數據表明空調是造成夏季或冬季的能源短缺主要因素。因此，空調提供了方便，同時也給社會帶來了一些能源負擔和環境污染負擔。為了幫助空調改善其存在的缺陷，使空調的制冷和制熱更加的節能、高效，空調制造企業可以采用地源熱泵技術滿足其要求。

1地源熱泵技術與原理

地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源（也稱地能，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（如電能），實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。通常地源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。與鍋爐（電、燃料）供熱系統相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70～90%的燃料內能為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節省約二分之一的能量；由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩定，一般為10～15℃，其制冷、制熱系數可達3.5～4.4，與傳統的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調的50～60%。因此，近十幾年來，地源熱泵空調系統在北美如美國、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國家取得了較快的發展，中國的地源熱泵市場也日趨活躍，可以預計，該項技術將會成為21世紀最有效的供熱和供冷空調技術。

地源熱泵供暖空調系統主要分三部分：室外地能換熱系統、水源熱泵機組和室內采暖空調末端系統。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，與建筑物采暖空調末端換熱介質可以是水或空氣。

2地源分類

地源按照室外換熱方式不同可分為三類：1.土壤埋盤管系統，2.地下水系統，3.地表水系統。由于我國水資源分布不均，尤其是華北地區嚴重缺水，已經形成數個地下水漏斗，所以華北地區已經出臺政策：嚴控地下水方式制冷、采暖。而地表水形式的地源熱泵，建筑物臨近必須有一定規模的地表水源，因此，應用受到現實的限制，難于大范圍推廣。因此，地源熱泵的重點推廣形式：土壤埋盤管系統。也是本文介紹的主要內容。

根據循環水是否為密閉系統，地源又可分為閉環和開環系統。閉環系統如埋盤管方式（垂直埋管或 水平埋管），地表水安置換熱器方式。開環系統如抽取地下水或地表水方式。

3地源熱泵的特點

3.1地源熱泵的優點

3.1.1屬可再生能源利用技術

地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源（通常小于400米深）作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。地表淺層地熱資源可以稱之為地能（Earth Energy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低溫位熱能。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，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。

3.1.2屬經濟有效的節能技術

地能或地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高40%，因此要節能和節省運行費用40%左右。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。據美國環保署EPA估計，設計安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節約用戶30～40%的供熱制冷空調的運行費用。

3.1.3環境效益顯著

地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少40%以上，與電供暖相比，相當于減少70%以上，如果結合其它節能措施節能減排會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規空調裝置減少25%的充灌量；屬自含式系統，即該裝置能在工廠車間內事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機率大為減少。該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區內，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。

3.1.4一機多用，應用范圍廣

地源熱泵系統可供暖、空調，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兩套裝置或系統：可以同時給人們提供制冷（或采暖）和生活熱水。

3.2地源熱泵的缺點

3.2.1初投資相對較高

土壤埋盤管系統的地源熱泵，相對于地下水式和地表水式水源熱泵系統，換熱效率較低，因此需要打較多地下換熱井，初投資較多。

3.2.2占地面積較大

由于需要大量的地下換熱井，且換熱井之間需要有一定的距離（約4米）要求，所以地下換熱場面積較大。需要在項目立項、設計階段就考慮采用地源熱泵系統。城市中的改造項目應用比較困難。

4地源熱泵技術在暖通空調當中的應用

地源熱泵的應用方式從應用的建筑物對象可分為家用和商用兩大類，從輸送冷熱量方式可分為集中系統、分散系統和混合系統。

4.1家用系統

用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風管輸送系統進行冷熱供應，多用于小型住宅，別墅等戶式空調。

4.2集中系統

熱泵布置在機房內，冷熱量集中通過風道或水路分配系統送到各房間。

4.3分散系統

用戶單獨使用自己的熱泵機組調節空氣。一 般用于辦公樓、學校、商用建筑等，此系統可將用戶使用的冷熱量完全反應在用電上，便于計量，適用于目前的獨立熱計量要求。

4.4混合系統：

將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯合使用作為冷熱源的系統，混合系統與分散系統非常類似，只是冷熱源系統增加了冷卻塔或鍋爐。

南方地區，冷負荷大，熱負荷低，夏季適合聯合使用地源和冷卻塔，冬季只使用地源。北方地區，熱負荷大，冷負荷低，冬季適合聯合使用地源和鍋爐，夏季只使用地源。這樣可減少地源的容量和尺寸，節省投資。分散系統或混合系統實質上是一種水環路熱泵空調系統形式。

4.5水環路熱泵空調系統

水環路熱泵（Water-Loop Heat Pump，簡稱WLHP）空調系統，它由許多臺水源熱泵空調機（WSHP）組成。這些機組由一個閉式的循環水管路連在一起，該水管路既作空調工況下的冷源，又作供暖工況下熱泵熱源。水環路的冷熱源可以是地源，或鍋爐、冷卻塔聯合方式。

夏季運行：全部或大多數機組為供冷，熱量水環路排至室外的冷源，如地源或冷卻塔。

春季/秋季運行：對有內區與周邊區的建筑物，會出現內區需要供冷而周邊區需要供熱，內區的熱量就可被周邊區所利用，即內區空調的排熱與周邊區熱泵供熱所需熱量接近平衡時，室外的冷熱源可以停運。這種制冷供熱同時進行，能量在建筑物內部轉移，運行費用最少，節能效果明顯。

冬季運行：全部或大多數機組為供熱，供熱源（地源或加熱源）把熱量補充到水環路。

水環路熱泵空調系統除具有顯著節能特點外，還具有以下特點：

節省占地：不設大的冷凍機房，沒有冷卻塔系統。

能源費用單獨計量：由各部門、住戶或單位獨立承擔，能源費用計量簡單且公平，符合當前的能源費用獨立計量方法。

調節靈活：每臺熱泵空調機在任何時間可以選擇供冷或供熱。

靈活應用：能靈活充份地滿足建筑物各個區的需要，并隨時可以更改用途。

結束語：

通過文章的介紹，可以更加清晰的了解到地源熱泵技術的發展與應用現狀，地源熱泵技術的應用可以有效的減少能源的損耗，對環境的保護帶來保障。在暖通空調方面，應用地源熱泵技術也是十分必要的，面對其中存在的不足，要積極尋找對策來進行解決，這樣才能使地源熱泵技術在暖通空調當中的應用價值更高，對能源的節約帶來更好的保障。

參考文獻

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（作者單位：瑞冬集團股份有限公司）