淺層地源熱泵技術在空調工程中的應用研究

鄭全新 ，常 艷

（1.荊楚理工學院，湖北荊門 448000；2.湖北省漳河工程管理局，湖北荊門 448000）

地源熱泵空調技術是一種利用可再生能源，實現供暖或制冷的新技術，在目前環境治理，節能降耗，發展新型清潔能源形勢下，具有廣闊發展空間。其研究對象是指利用地下水、河流和湖泊等地球表面淺層水源或土壤中的熱能，將熱泵技術與空調技術相結合，實現冬季供熱夏季制冷。

1 淺層地源熱泵技術在空調工程中應用原理

常用的空調是以室外空氣作為室內與室外熱交換的謀介，屬于空氣源熱泵空調。一般來說26℃左右為讓人感覺較為舒適的溫度，由于空氣溫度波動較大，冬季遠低于人體的舒適溫度，有的地區氣溫低達-20℃，甚至更底，夏季又遠高于人體的舒適溫度，有的地區氣溫高達+40℃，甚至更高。為獲取人體的舒適空氣溫度，常用熱泵促使室內空氣與室外空氣進行熱交換，把室內空氣加工成適宜人類生存的舒適溫度，此為空氣源熱泵空調的原理。淺層地源熱泵空調則是利用熱泵，促使室內空氣與地下水、水庫、湖泊等地球表面淺層水源或土壤進行熱交換，把室內空氣加工成適宜人類生存的舒適溫度。

2 淺層地源熱泵技術在空調工程中應用的特點

2.1 能源可再生

地表淺層土壤和水體是巨大的太陽能收集器，每年接收的太陽能是人類利用能量的500多倍，而且能保持能量的接受與發散相對平衡，是一個巨大的能量動態平衡系統；同時，地表淺層收集的太陽能可被無限循環使用，是一種真正意義上的可再生能源；再者，氣候因素對地層淺表太陽能收集影響與深層的地熱相比，最大優勢就是不受地質結構和資源條件影響。淺層地源熱泵利用地球吸收的太陽能作為溫度源，與室內空氣進行能量交換，是一種利用清潔可再生能源技術，使得利用儲存于地表面淺層土壤和水體中的巨量太陽能或地熱能為人類服務變為現實。

2.2 節能高效

一方面，地球是最大的太陽能載體，地表6米以下的地下水或土壤的溫度常年保持在16-18℃，幾乎不受氣溫的影響。根據能量不滅定律，無論是冬季制熱還是夏季制冷，采用空調技術將16-18℃物體的溫度轉換成26℃左右的溫度，要比將-20℃或+40℃物體的溫度轉換成26℃左右的溫度容易得多，節能得多。評價空調系統的節能性，最直接的方法是比較空調機源側的輸人載體的溫度和輸出載體的溫度差，溫差越小空調系統就越節能。以室內溫度設定值26℃為例，比較空氣源熱泵空調和地源熱泵空調的節能性能，只需比較輸入載體的溫度差即可，溫差每降低1℃，節能效率約提高3%。如果空氣源熱泵空調輸入載體溫度為35℃，地源熱泵空調輸入載體溫度為18℃，前后相差 17℃，如此計算，應用地源熱泵空調系統比應用空氣源熱泵空調系統節能約51%。

另一方面，土壤淺層溫度比較穩定，受季節更替變化不會太大，熱泵的動載荷波動不大，運行比較穩定，使用壽命長達到20左右，不僅滿足節能要求，同時經濟效益也較為理想。在冬季，土壤淺層以及地下水溫度在16～18℃，江河、水庫、湖泊等容量較大的地表水，溫度也在6～14℃之間，比空氣溫度要高出很多，地源熱泵與空氣源熱泵相比，能效比明顯提升，壓縮比明顯降級低，最多可以節約一半能耗。在夏季，土壤表層與地下水溫度在18～20℃，江河、水庫、湖泊等容量較大的地表水，溫度也在22～26℃，比空氣溫度要低很多，采用地源熱泵空調比一般制冷空調冷凝壓力大大降低，可以節約一半電能以上。

具統計，將淺層地源熱泵技術應用于空調工程中，消耗1KW的電能，制熱量可達到4KW以上，制冷量可達到5KW以上。應用地源熱泵空調，不會污染水體，不需要鍋爐、冷卻塔和堆放燃料廢物的場地，清潔節能效果顯著，比空氣源熱泵空調節能40%以上，比電熱供暖節能70%左右，比燃氣鍋爐的效率高50%左右，比燃油爐的效率高75%左右。

2.3 適用范圍廣

淺層地源熱泵空調適應用于酒店、賓館、小區、公寓、生產車間、商場、會堂、圖書館等需要大面積提供冷氣或暖氣的場所。制冷的同時還可提供生活用熱水，一機多用。對于有同時供暖和供冷需求的建筑物，應用淺層地源熱泵系統優勢尤為明顯。例如，冬天使用該空調系統供暖時，系統中的循環水可以將冷能儲存到地表淺層的土壤或地下水中，被儲存的冷能又可在夏季需供冷時使用，如此循環利用能源，不僅可大大降低運行費用，還減少了系統建設投資。

2.4 運行維護費用低

淺層地源熱泵空調相較空氣源熱泵空調的運行維護費用要低得多。一方面是因為相對空氣源熱泵空調，地源熱泵空調機械運動部件較少；另一方面是因為地源熱泵空調所有部件不是埋在地下便是安裝在室內，能有效避免惡劣環境影響，地下部分使用壽命長達50年，地上部分使用壽命也可達30年，幾乎是一種免維護系統；再者，使用地源熱泵空調與使用空氣源熱泵空相比，可以大大節省電能。具統計，用戶安裝使用淺層地源熱泵空調，5年節省的運行維護費用即相當于投資成本。

3 淺層地源熱泵空調技術創新研究

3.1 水源熱交換系統應用研究

水源換熱系統分為地下水換熱系統和地表水換熱系統，適切地應用水源熱換熱系統，能夠大幅提升淺層地源熱泵空調的運行效率。不管是利用地下水還是利用地表水，均應優化水源換熱系統設計。一方面是分析當地的水源狀況，了解其特點及使用的基本要求，準確檢測各季節不同深度水源的溫度，把握其應用效果，確保其在淺層地源熱泵空調中充分發揮“源”的作用；另一方面是水源的高效利用問題，內陸地區盡量應用等量回灌的方式，對于沿海地區，海水熱“源”豐富，可將海水應用于換熱系統。

3.2 土壤換熱系統應用研究

如何以土壤作為熱交換介質，需要深入地研究。土壤換熱系統應用的主要技術措施，是采用埋設管式換熱器，做好埋設管式換熱器施工設計，成為土壤換熱系統研究的重要內容。研究的重點是管式換熱器的敷設方式與敷設位置，提升敷設的可靠性與合理性。應充分考慮應用區域的巖土條件及其對地埋的管換熱器可能產生的影響，確保管式換熱器能最大限度地發揮其換熱效果，從而提高空調系統的運行效率。通常，為了提高土壤換熱系統的熱傳替效率，可以增設輔助性熱源裝置，提升地源熱泵空調的應用價值。

3.3 末端系統的優化設計

對地源熱泵空調末端系統進行優化設計的目的是擴展其應用范圍。優化設計的方向，主要考慮采用“風機盤管供冷+地板輻射供暖”方式，彌補以往中央空調末端系統應用的缺陷，提高地源熱泵空調的應用適應性和價值。

4 結束語

空調作為電力能源消耗的大戶，如果將地源熱泵技術應用于空調工程，從節能減排和開發利用可再生能源等方面具有重要意義。隨科學技術的不斷進步，地源熱泵空調必然會取代傳統的空調設備，成為利用清潔、高效、可再生能源的高新技術設備。