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摘 要： 本文介绍了地源热泵的特点、工作原理和分类，分析了地源热泵的关键技术，并与相关的热泵技术进行了性能比较，对地源热泵进行了技术经济分析，最后还介绍了地源热泵技术在制冷空调中的广阔应用前景。

 

关键词： 地源热泵；空调；节能

 

中图分类号： TK523 文献标识码： A 文章编号： 1005—7676{2005}03·0005-04

 

 

前言

 

地源热泵是以大地为热源对建筑进行空气调节的节能新技术。在夏热冬冷地区，应用地源热泵系统可达到夏季制冷、冬季供暖的目的。地源热泵系统适用范围广泛，既可应用于宾馆、写字楼、医院和学校等社会机构，又可应用于居民住宅。地源热泵其实并不是一个新概念，早于1912年就由瑞士的Zoelly提出⋯。之后几十年中，地源热泵基本处于实验研究状态，直到二十世纪六十年代才在欧美出现商业化产品 J。目前，在欧美发达国家，已有众多地源热泵应用实例。由于地源热泵可显著降低运营费用，已受到越来越广泛的关注。尽管还有一些不利因素限制了地源热泵的快速普及，如初投资较大，但随着科技的发展，限制地源热泵普及的因素已经或正在得到改善。因而，地源热泵被认为是最有前途的空调系统之一。

 

 

地源热泵对应的英文名称是ground．source heat pumps(GSHPs)。顾名思义，“热泵”二字说明它是热泵的一种，具有热泵的共同特点，与空气源热泵类似；而“地源”二字则指明其能量来源，即来源于大地，这一点不同于空气源热泵。地源热泵系统示意图见图1。夏季制冷时，大地作为排热场所，把室内热量以及压缩机耗能通过埋地盘管排人大地中，再通过土壤的导热和土壤中水分的迁移把热量扩散出去。冬季供热时，大地作为热泵机组的低温热源，通过埋地盘管获取土壤中热量为室内供热。两个换热器都既可作冷凝器又可作蒸发器，只是因季节不同而功能不同。它们之间功能的转换由图中的四通阀门(换向阀)控制。可以看到，在地源热泵系统中，由于冬季从大地中取出的热量可在夏季得到补偿，因而可使大地热量基本平衡.

 

 

对地源热泵系统和传统空调系统进行对比，分析地源热泵系统的节能性及环境效益。

 

2．1 节能性分析比较

 

传统的空调系统采用风冷换热器或水冷换热器，其换热环境直接或间接为大气，而大气换热不可避免地受到环境条件变换的影响。在夏季，当室外温度达到4o cc时，由于换热效率降低，冷量将下降20％ ～40％ ；在冬季，当室温下降到一l0 cc时，供热量将下降到15％ ～30％，而且要反复地冲霜来保证机组的正常运行。对于地源热泵，换热器是介质和大地地表浅层换热，地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能，相当于人类每年利用能量的500多倍 J。地能不受气候、资源、地域、地质结构限制。这种低温位热能是人类可以利用的清洁的可再生能源。冬季通过地源热泵将大地中的低温位热能提高品位对建筑供热，同时蓄存冷量以备夏季使用；夏季通过地源热泵将建筑物内的热量转移到地下，对建筑物进行供冷，同时对地能蓄存热量以备冬季使用。其温度大约为年平均气温，基本不受外界环境影响。由于地源温度一年四季相对稳定，使得地源热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。

 

2．2 环境效益比较

 

夏季，风冷机组将废热排人大气，使室外温度升高；水冷机组不仅将废热排人大气，使室外温度升高，还将水蒸气带人大气中，冷却塔的噪音及霉菌污染使周围环境品质变差；冬季，风冷、水冷机组吸收大气环境中的热量，导致恶劣大气环境更加恶劣。暴露于建筑物之上的风冷机组及冷却塔，对建筑物立面造型将造成不好影响。地源热泵既不破坏地下水资源，又无任何污染，供热时省去了燃煤、燃气等锅炉房系统，避免了排烟污染；供冷时不产生废渣、废水和烟尘，对大气环境和建筑物没有影响。

 

3．地源热泵系统的设计

 

地源热泵早在20世纪50年代就已经在一些北欧国家的供热中得到实际应用。随着人们生活水平

的提高，以及人们对矿物燃料在迅速枯竭以及大量消耗矿物燃料带来了严重的环境污染这一严峻性的全球问题的重视，具有显著节能、环保特点的地源热泵得到了迅速发展。20世纪70年代石油危机以后，美国和加拿大开始在建筑物的供热和空调中大量采用地源热泵技术，但此时主要采用水平埋管的方式。自20世纪80年代以来，在北美也形成了利用地源热泵对建筑物进行冷热联供的研究和工程实践的新一轮高潮，技术逐渐趋于成熟。这一阶段的地源热泵主要采用垂直埋管的换热器，埋管的深度通常达100～200m，因此占地面积大大减小，应用范围也从单独民居的空调向较大型的公共建筑扩展。如今国外在地源热泵的应用方面已趋于产业化，热泵技术已经比较成熟。而地源热泵系统的研究和开发在国内还属于刚起步阶段。根据国外部分工程实例，并针对我国的国情和实际可操作性，下面分析一下该系统设计时所需要注童的问题：

 

3．1 确定建筑物的冷热设计负荷

 

设计负荷是用来确定系统设备的大小和型号的，根据设计负荷设计空气分布系统(送风口，回风口和风管系统)，设计负荷的计算必须以当地设计日的标准设计工况为依据。在确定建筑物的最大负荷时，必须逐时计算出每个房间、每个区域所必需的负荷信息，并求出其中的最大值。为了进一步分析地源热泵系统的能耗情况，必需对建筑物进行必要的能耗计算。通常所采用方法有：度日法，温频法和逐时法。度日法是最简单的计算方法，但通常结果不理想。当系统运行效率取决于室外空气条件时，不能采用度日法计算该系统的能耗，例如地源热泵系统。温频法是将全年温度划分为若干组，分别计算系统在每个温度组内的能耗量。温频法考虑到了室外空气的影响和部分负荷工况的影响，而且该方法可以通过精确划分满足特殊系统的要求。温频法计算能耗对于手算和计算机计算都很方便。逐时法主要是用于需要确定大量细节的大型建筑的能耗计算，由于其计算量非常大，通常采用计算机计算。

 

3．2 热泵系统的选择

 

对住宅和商业系统来说，设备通常是一个机组模块，一旦选定一个机组，则许多参数都是固定的，调节的余地不大。例如，水源热泵的设计水流量的调节范围也是有限的。因此，系统的其他部分如风机盘管系统或地热换热器以及防冻循环泵等都必须与热泵的制热(冷)量要求相匹配。在大型建筑热泵系统内，一般要采用二次输送系统。在这种系统中，中央机组的确定应满足建筑物的最大负荷。而二次输送系统中的空气处理器的换热能力应满足该区域的当地负荷。

 

 

热力循环原理表明同一热泵不可能同时满足冷热两种负荷。选择热泵容量的依据究竟是热负荷还是冷负荷呢?这个问题的解决首先要考虑人的舒适感。一个选择不合理的系统，其制热(冷)能力不论是偏大还是偏小都不能提供足够的舒适感。当系统的制冷量大于冷负荷时，系统必须频繁地启动，这会造成盘管的平均温度升高，同时又不能去除室内空气中的湿度，频繁的循环还会降低设备的使用寿命，降低运行效率，增加制冷过程的运行费用。设备选的过大也会增加系统的初投资。因此，在山东地区选择热泵应该以冷负荷为依据。由于在北方地区热负荷相对较高，而夏季的潜热相对较低，在这种情况下，设备容量的选择可以适当偏大，但一般不要超过冷负荷的25％。

 

 

假定其他变量如空气体积流量，室内空气温度等埋管方式可分为水平式和垂直式，选择主要取决于场地大小、当地土壤类型以及挖掘成本，如果场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济；如果场地面保持不变，则地源热泵的性能取决于热泵的进水温度，必须确定室外空气和进水温度之间的关系。进水温度与多个因素有关，如一年的运行时间，土壤类型，地热换热器的类型、大小等。当季节变化时，如果系统不频繁运行，进水温度大约和地下土壤的温度相同。

 

 

地热换热器的设计需要知道在某一特定阶段内从地下吸取的热量或释放到地下的热量，通常应满足年中最冷月和最热月的要求。在供冷季节，输入系统的所有能量都必须释放到地下，这些能量包括系统热负荷、系统耗功量和地热换热器循环泵的耗功量。循环泵耗功量可近似为泵的耗功量与热泵运行小时数的乘积。在供热季节，从地下吸收的热量等于设备的制热量减去输入的电功。输入的热量包括压缩机耗功量和地热换热器循环泵的耗功量。

 

 

地热换热器的选型包括型式和结构的选取，对于给定的建筑场地条件应尽量使设计在满足运行需要的同时成本最低。地热换热器的选型主要涉及以下几个方面：

 

a．地热换热器的布置型式，包括埋管方式和联接方式。积有限时则采用垂直式布置，很多场合下这是唯一的选择，如果场地土中有坚硬的岩石，用钻岩石的钻头可以成功钻孔。联结方式有串联和并联两种。在串联系统中只有一个流体通道，而并联系统中流体在管路中可有两个以上的流道。采用串联或并联取决于成本的大小，串联系统较并联系统采用的管子管径要大，而大直径的管子成本要高。另外，由于管径较大，系统所需的防冻液也较多，管子重量也相应增大，导致安装的劳动力成本也较大。

b．塑料管的选择，包括材料、管径、长度、循环流体的压头损失。聚乙烯是地热换热器中最常用的管子材料。这种管材的柔韧性好，且可以通过热熔合形成比管子自身强度吏好的连接接头。管径的选择需遵循以下两条原则：其一，管径足够大，使得循环泵的能耗较小；其二，管径足够小，以使管内的流体处于紊流区，使流体和管内壁之间的换热效果好。同时在设计时还要考虑到安装成本的大小问题。管子的长度取决于流体流量和允许的压头损失。一般情况下，流体流过热泵的水换热器的压头损失与流体流过地热换热器以及相关管道的压头损失大小大致相当。

c ． 循环泵的选择

选择的循环泵应该能够满足驱动流体持续地流过热泵和地热换热器，而且消耗功率较低。一般在设计中循环泵应能够达到每吨循环液所需的功率为100 W的耗能损失。

 

 

4．1 地源热泵发展面临的问题

 

(1)观念方面：空气源热泵和燃气、燃煤供热技术相对成熟，使得人们选择地源热泵系统时会面临阻力。

(2)暖通空调技术与其它技术的配合：地源热泵技术是暖通空调技术与钻井技术相结合的综合技术，两者缺一不可，这要求工程组织者和工程技术人员能够合理协调、做好充分的技术经济分析。

(3)对环境的影响：目前地下水的回灌技术不完善，在一定程度上会影响以水为低位热源的地源热泵的进一步推广；此外土壤源热泵空调系统钻井对土壤热、湿及盐分迁移的影响研究有待进一步深入，如何使不利因素减少到最小是必须考虑的问题。

(4)初投资问题：并不是所有的地源热泵系统都是经济合理的，由于钻井费用可能占到整个系统初投资的50％以上，有些投资者可能会回到传统的空调形式。

(5)安装维护：目前地源热泵系统的安装费用较高，与电制冷、天然气加热系统的500～800元／吨相比，地热源泵的600～1 000元／吨(1 t=101 605 t)显然是高的，它的回收期是5～8年；而且地源热泵系统的维护较为困难，这在一定程度上会影响它的使用。

(6)土壤特性：土壤的特性随地点的变化而有所差别，在一地区的研究结果可能完全不适用于另一地区，必须进行相应的修正甚至重新研究。

 

4．2 地源热泵发展的前景

 

虽然存在各种困难，地源热泵技术作为一项有效的暖通空调节能技术，因其自身的清洁、节能等特点，存在一定的推广价值。在国外，由于起步较早，此技术已经基本成熟，并开始逐步应用于各种建筑中，并且针对不断出现的问题进行调整。国内因为研究工作开展相对较晚，目前还没有独立进行的成功的工程实例。随着暖通空调技术的发展，对地源热泵的一些制约因素将会被逐步克服，甚至可能会转化为促进这项技术发展有利的条件。我国地域辽阔，各地的气候条件和土壤条件各不相同，其中大部分地区夏热冬冷，适合地源热泵的使用范围。此外，根据地源热泵系统的特点，还可考虑在其它需要供热的行业使用：如现代设施农业中温室需要提供的热水温度一般比空调系统低，夏季降温的要求也比空调建筑低，利用地源热泵系统可以降低运行成本，很好地发挥其优点；在养殖行业，需要提供合适的水温，也可以充分采用地源热泵系统。总之，只要扬长避短，正确定位，地源热泵系统是有很大发展空间的。

 

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