地源热泵技术在暖通空调节能中的运用
摘 要：地源热泵主要借助大地作为热源， 对建筑进行空气调节 ，是当前空调系统中应用的一种全新节能技术 ，尤其在冬冷夏热的地区， 应用地源热泵可实现冬季取暖、 夏季制冷等目标。本文阐述了地源热泵系统的优点和效益，探讨了地源热泵技术在暖通空调节能中的运用。
关键词：地源热泵;优点;暖通空调;节能运用
地源热泵技术是一种利用浅层常温土壤的能量作为能源的既可供暖又可制冷并能提供生活热水的新型热泵技术。地源热泵中的热 (冷) 源不是指地热田中的热气或热(温)水，而是指一般的常温土壤，它对地下热源没有特殊的要求，可在绝大部分地区应用，不受地下水资源变化和管理的限制。所谓热泵(Heat Pump)是一种从低温热源汲取能量，使其转换成有用热能的装置。
一、地源热泵系统的优点
1.应用灵活、安全可靠。用途广泛地源热泵空调系统灵活性强，—套地源热泵系统可以替换原有的供热锅炉、制冷空调和生活热水加热的三套装置或系统。可用于新建工程或扩建、改建工程，可逐步分期施工。热泵机组可灵活地安置在任何地方，节约空间。同时，地源热泵无储煤、储油罐等卫生及安全隐患。因此，地源热泵空调系统从严寒地区至热带地区均适用，可为办公楼、宾馆、医院、饭店、商店、超市、幼儿园、别墅、居民小区等各类建筑物提供冷暖两用空调系统，并可同时提供生活热水。
2.运行费用低。地源热泵空调系统的高效节能特点，决定了它的低运行费用。其维修量极少，使用寿命和建筑物同期，折旧费和维修费也都大大低于传统空调。由于自动化程度高，无需专业人员操控。一般来说，地源热泵空调系统的供暖和制冷费用只相当于普通空调系统供暖和制冷费用的30—70%。
3.节能、高效。地温一年四季基本恒定在16℃左右，略高于该地区平均温度1到2度，使得热泵无论在制冷或制热工况中均处于高效率点。 地源热泵空调系统在提供100单位能量的时候，70%的能量来源于土壤，30%的能量来自电力，用于将土壤中的热量“搬运”至室内。与锅炉(电、燃料)供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70—90%的燃料内能转换为热量供用户使用，而地源热泵空调系统的转换效率最高可达4.7，因此它要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量，其运行费用仅为普通中央空调的50—60%。 4.绿色、环保、无污染。地源热泵空调系统在冬季供暖时，不需要锅炉，无燃烧产物排放，可大幅度降低温室气体的排放，既保护了环境，又可遵守《全球气候公约》。在夏季制冷时也是将热量转移到地下，没有任何气体排放到大气中，如果得到广泛应用将可以大大降低温室效应，减缓全球变暖的进程。
5.节省建筑空间、便于运行管理。地源热泵没有冷却塔和其它室外设备，省去了锅炉房、冷却塔及附属的煤场、渣场所占用的宝贵面积，节省了空间和地皮，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。热泵机组质量可靠，没有大型的集中机组，无需专人值守，大大减少维修、维护费用，可以实现机组独立计费，分户计量，方便业主对整个系统的管理。
二、地源热泵系统的效益
1.地源热泵的社会效益
我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃烧后产生的大量污染物，是造成温室效益的主要原因。采取地源热泵能够有效减少常规供热和空调对大气的污染，是一项利国利民的绿色工程。
2.地源热泵的经济效益
地源热泵系统可实现对建筑物的供热和制冷，还可供生活热水，一机多用。一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统。系统紧凑，省去了锅炉房和冷却塔，节省建筑空间，也有利于建筑的美观。根据以往项目的经验，由于地源热泵运行费用低，增加的初投资可在5～10(年限有待考证)年内收回，地源热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低于传统的空调系统。
同时，地源热泵空调系统的经济性取决于多种因素。不同地区，不同地质条件，不同能源结构及价格等都将直接影响到其经济性。
三、地源热泵技术在暖通空调节能中的运用
1.地源热泵空调系统的分类。 以当前地源热泵在空调应用系统中的交换机形式来看， 可主要分为以下几种形式：
(1)土壤的地源热泵。 在土壤热源的交换机中， 含有一个土壤耦合热交换器。 根据不同的埋管方式， 可将土壤热交换器划分为垂直埋管、水平埋管以及螺旋埋管三种类型。 一般情况下 。水平埋管的深度为1.2-3.2m， 多为多层串或者单层串 ,这种施工方式较为便捷、 造价低廉， 但是换热效果不佳， 极易受到地面温度的影响 ，运行稳定性较差 ;垂直埋管的深度约为10-100m ，可采取套管或者 U型垂直埋管方式。 这种埋管方式的占地面积较小， 全年土壤温度稳定 ，因此系统运行较为稳定。但是初期的投资费用较大， 如打井 、钻孔等土建费用 。螺旋埋管集合水平埋管与垂直埋管的优势 ，节约占地面积与安装费用， 但是系统的结构较为复杂， 给管道施工带来一定难度 ，同时增大系统的运行阻力。
(2)地表水的地源热泵 。基于地表水的地源热泵系统， 包括各种潜在水面表层下部的串联式地表水交换器， 以此替代地下水的热交换器地表水源热泵可分为开放式系统与封闭式系统两种形式，由于地下水的水温为恒定状态， 因此机组运行较为稳定 ，由于地表水的水温容易受到水的深度以及环境温度等因素影响 ，因此热泵机组的运行不稳定。另外， 由于地表水的地源热泵换热器可能布置在公共水域中， 容易遭到破坏 ，增大维护成本。
(3)地下水的地源热泵 。地下水地源热泵可分为开放式系统与封闭式系统两种 。一方面， 开放式地下水热源泵系统， 主要抽出地下水并供给到室外的侧冷凝器 ，吸收热量后回灌到地下; 开放式系统的换热效果良好， 但是应该注意管路与热泵系统容易受到地下水的腐蚀或堵塞; 另一方面 ，封闭式地下水热源热泵系统， 利用板式换热器将热泵设备与地下水分离 ，以此规避了开放式系统的腐蚀及堵塞问题 ，但是由于板式换热器需要实行二次换热，因此换热效果并不理想。
2.地源热泵空调系统的机组设计。 当前 ，地源热泵应用的形式较为广泛， 尤其以蒸汽压缩式热泵的商用范围最为广泛。 以 “水-- 水”系统为例 ，主要由若干室内机组及一个室外机组构成。 在该系统中， 可以对每个空调进行独
立调节 ，满足不同的空调温度要求 ，节能效果良好 。对于变频式地源热泵空调系统来说， 再加上新风系统的应用 ，其发展前景较为理想 ，尤其在中央空调系统的应用中更具意义。 因此， 优化机组设计， 对整个系统的运行非常重要。在传统的空调系统设计中， 主要为经验主义加实验办法 ，通过设计简单、 易用的实验办法， 减少对理论知识、实验条件等依赖性 。但是在实验设计中， 难以避免稳定性低 、可靠性差等问题， 因此大多应用于产品初级开发阶段。 地源热泵在空调系统中的应用， 表征方案的独立变量以设计变量为主， 最佳的优化办法就是研究确定变量的具体办法。有关评价方案的优劣， 主要由设计变量来决定， 那么该指标就是设计变量的函数。 在系统的优化设计与选择过程中 ，往往设计变量的取值决定于各种受限条件。 变频式地源热泵空调系统， 主要包括蒸发器 、冷凝器 、变频压缩机 、室内机、 电子膨胀阀 、水泵水管路系统 、制冷剂管理等。结合制冷系统的热力学理论， 利用相互关联、 参数动态分布等办法 ，构建系统内的运行参数动态方程及数学模型， 构成系统运行参数的方程组 ，并实行动态模式 。对于系统的动态模拟， 给系统的优化设计提供了依据， 实现空调系统的节能性、 舒适性以及良好制冷制热效果 ，达到降温幅度、 降温速度等指标要求。
地源热泵系统经过多年的研究， 在技术上已经比较成熟，而且经过多次的示范实践， 肯定其具有节约能源、性能稳定、清洁安全等优点，虽然其初期投资比常规采暖空调系统大， 但可以大大节省运行维护费用。据世界环保组织估计，设计安装良好的地源热泵，平均可节约用户30%～40%的采暖空调运行费， 因此它将成为大有发展前景的采暖空调技术。
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