淺談地源熱泵系統

文/郭曉琴 武漢科技大學城市學院 湖北武漢 430083

曾令文 湖北省電力勘測設計院有限公司 湖北武漢 430040

1、熱泵的原理及經濟性

熱泵與水泵具有相同的特點。水泵通過輸入電能，將水從低位提升到高位。熱泵的原理與之相似——冬季，熱泵消耗一定電能，將低溫側室外的熱量抽吸到高溫側室內，提升熱量的品質，最終實現室內制熱的功能。

以一次能源天然氣為例：直接燃燒能夠產生9kWh的熱量；發電能產生4kwh的電，電制熱能產生4kwh的熱量；如果用一方天然氣所發的4kwh電能輸入到熱泵機組中，總共能產生12kwh的熱量。通過對比發現，消耗同樣的一次能，熱泵機組制取的熱量最多，經濟性最好。

2、地源熱泵系統簡介

2.1 地源熱泵系統定義

地源熱泵系統是指利用地下土壤、地下水、地表水為低溫熱源，以水為傳熱介質，采用熱泵技術對建筑進行制冷、供暖或加熱生活熱水的系統。地源熱泵系統主要分為三種形式：地下水地源熱泵系統、地表水地源熱泵系統、土壤源熱泵系統。

2.2 地源熱泵系統組成

地源熱泵系統的核心主要是熱泵機組，通常熱泵機組主要由四個主要部件組成：蒸發器、冷凝器、壓縮機和膨脹閥。把機組和地源這塊稱為冷熱源；水泵和管路稱為輸送系統；用戶側稱為末端。

2.3 地源熱泵系統與常規空調系統的區別

常規空調系統通常采用水冷冷水機組，通過水泵和冷卻塔把室內熱量散入到空氣中，實現系統制冷功能；冬季由于循環水易結冰，因此這種系統在冬季通常配備鍋爐實現冬季制熱。地源熱泵系統通常是將冷卻塔換成地源，然后機組內部作一定的改進。夏季運行流向與冷水機組類似，工作參數稍有區別。冬季時，即便室外空氣溫度比較低，地源側的溫度通常也能達到10℃以上，這為熱泵機組制熱提供了有利的條件。這也是與常規水冷冷水機組的主要區別。

3、地下水地源熱泵系統介紹

3.1 系統簡介

根據地下水是否進機組，地下水源熱泵系統通常可分為開式系統和閉式系統。根據地下水回灌方式不同，通常分為同井回灌系統和異井回灌系統，如圖1、2所示。異井回灌指取水和回水在不同的井內進行，回灌井內的水需回到同一地下含水層中。同井回灌系統是國內發明的一種新技術[1]，取水和回灌水在同一井內進行，通過隔板把井分成兩部分，一部分是低壓吸水區，一部分是高壓回水區。同井回灌存在熱貫通的可能性，應進行合理設計避免熱貫通現象。

圖1 單井循環

圖2 異井循環

3.2 地下水地源熱泵系統特點

地下水地源熱泵系統主要包含5個特點[1]：

（1）該系統利用可再生能源的技術，節能環保效益顯著；

（2）機組制冷和制熱都處于高效運行，通常主機的制熱性能系數為3.5～4.4，比空氣源熱泵系統節約23～44%的能量；

（3）該系統具有良好的經濟性。根據北京市統計局信息咨詢中心對采用地下水地源熱泵技術的多個項目的冬季運行分析報告：63%的項目低于燃煤集中供熱的價格；全部項目低于其他鍋爐供暖。投資增量回收期約4～10年。

（4）由于地下水全年溫度相當穩定，故主機能夠持續平穩運行；

3.3 地下水地源熱泵系統適用性

地下水地源熱泵系統的適用性一般需要考慮兩方面的因素 [2]。一是資源性條件，二是系統性條件。其中，資源性條件主要有水溫地址因素、場地施工因素、社會經濟因素、氣象因素和環境保護因素。僅從資源性條件考慮，適合采用該系統的地區主要分布在我國東部，平原盆地及富水性較好的地區。而系統性條件主要指節能型、經濟性和環保性。

3.4 地下水地源熱泵系統設計流程

地下水地源熱泵系統設計主要包含地質勘查設計和空調系統設計兩大塊。地質勘查與設計率先進行，包括水文地質條件論證，其中涉及到地下水水溫、水質、水量的論證，同時水資源論證應經過專家審查和水務部門審批。根據工程所在地的地質條件設計熱源井形式。無論采用何種回灌方式，必須確保回灌至同一含水層，不得造成地下水浪費及污染。如果不能100%回灌于同一含水層，會帶來一系列的生態環境問題。空調系統設計主要包含建筑物內空調系統設計、水源熱泵機組系統設計和地下換熱系統設計。

3.5 地下水地源熱泵系統存在的問題

主要存在四個方面的問題：一是回灌堵塞，此問題的主要解決包括回揚、預消毒和酸化等；二是腐蝕水質問題，為此需按規范要求設計合理的水處理工藝；三是井水泵功耗過高的問題。調查表明，不良設計中井水泵功耗可以占到系統總能耗的25%甚至更高，為此一般采用的措施包括采用變頻泵、設計閉式系統，確保回水管在靜水線以下等；四是運行管理方面的問題。

4、地表水地源熱泵系統

4.1 地表水類型

地表水主要分為三種類型：一、流動水體：包括江、河、城市污水等；二、靜止且水量較大的水體：包括海、湖、水庫等；三、靜止且水量較小的水體：包括水塘、水景、人造湖等。

4.2 地表水地源熱泵類型

根據是否直接取用地表水，將地表水地源熱泵系統分為開式系統和閉式系統。

4.3 地表水地源熱泵系統特點

首先是它的節能性，相比于傳統的冷熱源系統，其節能優勢明顯，但總體而言系統效率低于地下水地源熱泵系統；在經濟性方面，開式地表水地源熱泵系統的初投資是地源熱泵空調系統中最低的；在穩定性方面，地表水溫度一般隨季度和水深變化，其特征類似于空氣源熱泵，故穩定性不如地下水地源熱泵系統。

4.4 地表水地源熱泵系統適用性

常規地表水地源熱泵系統（不包括海水源和污水源），主要從能效、經濟性和社會環境方面評價其適用性，比如機組是否能處于高效運行、系統的初投資、運行費用、水體是否存在污染等等，適宜地區主要分布在中南部地區[3]。

海水源熱泵主要從資源條件，如海水溫度和系統性條件來進行評價；污水源熱泵系統主要從經濟、能耗和環境三方面進行評價。

4.5 地表水地源熱泵系統設計

主要討論以下三個方面：一是水源勘測方面，主要包含水位、面積、流速、流量、水溫、水質、用途等；二是水環境評估，系統設計前，應對系統運行對水環境的影響進行評估，減小地表水水體及其生態環境和行船等影響。在前期項目中，完成環境影響評價相對比較困難，對于流動的地表水，一般取水量小于總流量的20%；對于靜止的地表水可以按面積指標進行估算。

5、土壤源熱泵系統

5.1 土壤源熱泵系統分類

根據埋管方式的不同，通常分為水平式埋管換熱系統和豎直式埋管換熱系統。

5.2 豎直埋管換熱器形式

水平埋管換熱器的形式和閉式地表水地源熱泵系統類似。豎直埋管換熱器最常見的有兩種形式：雙U和單U。雖然雙U比單U的管長大了一倍，但是換熱能力僅提高15%～20%。

5.3 兩種埋管形式區別

水平埋管通常埋深為1.2～3.0m，每個水平溝內埋1～6支管。埋管成本相對較低，安裝靈活，一般用于地表面積充裕的場合。

豎直埋管中淺埋一般為8～10m，深埋為33～180m。實際項目中通常埋管深度為23～92m。該方式管材耗量少，系統阻力小，由于埋深較深，因此受季節的影響小，但是初投資比較高。

實際項目中，應根據項目用途、所在地的地質條件等因素綜合選擇埋管方式。

5.4 土壤源熱泵系統的優點和缺點

優點：蓄熱性能良好；相比于傳統的空氣源熱泵，機組效率更高；無需除霜，沒有結霜和融霜的能耗損失；運行費用低[4]。

缺點：長期運行，土壤的溫度勢必會受到波動，這種波動會影響熱泵機組的性能；地下埋管換熱器的性能受土壤的熱物性參數的影響較大。計算表明，傳遞相同的熱量所需傳熱管管長在潮濕土壤中為干燥土壤的1/3；初投資高，僅地下埋管換熱器的投資約占系統投資的20～30%。

5.5 土壤源熱泵系統設計

土壤源熱泵系統設計中主要有三個方面的問題：熱物性測試、土壤熱平衡和水力平衡。

巖土熱物性測試是為地埋管地源熱泵系統設計提供巖土基本熱物參數（導熱系數、比熱容等）。目前國內外應用于工程中的巖土熱物性測試方法是巖土熱響應試驗法[5]。

如果冬夏季取熱和排熱不平衡，地下土壤溫度將過高過低，影響熱泵機組效率和穩定性。地埋管換熱系統設計應進行全年動態負荷計算。計算周期內地源熱泵系統總釋熱量宜與其總吸熱量相平衡。為此，在夏熱冬冷地區一般采用土壤源熱泵+冷卻塔的形式，寒冷和嚴寒地區采用土壤源熱泵+太陽能的耦合系統。

水力平衡：地埋管各并聯支路若長短不一，各支路將水力失調，短管路會承擔更多冷熱負荷，地下溫升或溫降更大，嚴重影響熱泵機組效率。因此埋地管網盡可能采用并聯同程布置。

結論：

為了降低用冷和用熱的能耗，尋找更高效的制冷供熱系統勢在必行。在這樣的背景下，地源熱泵系統逐漸得到大力的應用。然而在應用過程中，暴露了諸多問題導致系統無法發揮其優勢。故理清地源熱泵系統的特點、經濟性、適用條件等顯得尤為重要，通過詳細介紹所有地源熱泵系統形式，得到如下結論：

（1）不同地源熱泵形式的特點和適用性均不相同，設計時，需因地制宜，選擇合理的形式，確保充分發揮系統優勢；

（2）不同的系統在使用過程中均存在一定的問題，設計時應針對其問題配置合理的方案。