地源热泵技术的节能应用

地源热泵技术的节能应用

孙莹

孙莹

天津市天勘建筑设计院300191

摘要：地源热泵系统是目前效率最高、对环境最有利的热水、取暖和制冷系统。它利用地下土壤或岩石的相对稳定温度使取暖和空调系统在全年都能维持高效运行

关键词：地源热泵；空调系统；节能

1．引言

建筑能耗主要以供热采暖和空调能耗为主，目前我国单位建筑面积空调、采暖能耗相当于气候条件相近发达国家的2~3倍，因此建筑节能的重点应放在采暖和空调能耗上。地源热泵系统是随着全球性的能源危机和环境问题的出现而逐渐兴起的一门新技术，其工作原理是，由电能驱动压缩机，使工质（如R22）循环运动反复发生物理相变过程，分别在蒸发器中气化吸热、在冷凝器中液化放热，使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热（或制冷）功能。地源热泵通过输入少量的高品位能源（电能），即可实现能量从低温热源向高温热源的转移，它是一种利用地下浅层地热资源既能供热又能制冷的高效节能环保型系统。

2.地源热泵系统的分类

根据热交换器的形式来分，地源热泵系统有三种形式：土壤热交换器地源热泵、地下水地源热泵和地表水地源热泵。

2.1土壤热交换器地源热泵

土壤热交换器地源热泵包括一个土壤耦合地热交换器。根据埋管方式的不同，土壤热交换器可分为水平埋管、垂直埋管和螺旋型埋管三类。水平埋管埋深通常在1.2～3m，常采用单层或多层串、并联水平平铺埋管，特点是施工方便、造价低，但换热效果差，受地面温度波动影响大，热泵运行不稳定，占地面积较大。垂直埋管埋深10～100m，一般采用U型垂直埋管或套管，特点是占地面积小，土壤温度全年比较稳定，热泵运行稳定，但初投资（钻孔、打井等土建费用）大。螺旋型埋管结合了水平埋管和垂直埋管的优点，占地面积小，安装费用低，但其管道系统结构复杂，管道加工困难，系统运行阻力较大。

2.2地下水地源热泵

地下水地源热泵系统分为两种，一种是开式系统，另一种是闭式系统。开式地下水地源热泵系统是将地下水抽出直接供应给热泵的室外侧冷凝器，吸热后再回灌地下，开式系统换热效果好，但热泵设备和管路易受到地下水的水质腐蚀和堵塞，最终影响系统运行，并降低效率。

闭式地下水地源热泵对于有些水源矿化度较高，对金属的腐蚀性较强，如直接进入机组会因腐蚀作用减少机组使用寿命。如果通过水处理的办法减少矿化度，费用很大。通常采用加装板式换热器中间换热的方式，把水源水与机组隔离开，使机组彻底避免了水源水可能产生的腐蚀作用

2.3地表水地源热泵

地表水地源热泵系统由潜在水面以下的串并联塑料管组成的地下水热交换器取代了地下水热交换器。地表水地源热泵与地下水地源热泵相似，也有开式系统和闭式系统之分；不同的是地下水水温恒定，机组运行稳定可靠，而地表水水温受到环境温度和水深等因素影响而变化，热泵机组运行不稳定，此外，地表水地源热泵的换热器如布置在公共水域，还易遭到破坏。

2.4地源热泵系统的选择

地源热泵系统的应用形式较多，在决定采用地下水、地表水或土壤前，应首先对现场水文地质情况进行准确详实的调查，其次应对建筑物冷热负荷、现场土地面积、建筑高度和规模、机房面积、当地规划要求等因素进行综合分析评价确定，最后应考虑选择系统的造价。

3．地源热泵空调系统的组成

地源热泵空调系统主要由三部分组成：即末端空调系统，热泵机组和地源水系统，热泵系统由压缩机、膨胀阀、冷凝器、蒸发器和三通阀组成，通过制冷剂的循环和冬夏阀门的交替启闭，可实现夏季供冷和冬季供热。末端空调系统可采用冷暖两用风机盘管系统或冬季直接供给低温地板采暖。

4.地源热泵的节能应用

4.1工程概况：

本工程为天津津南区某商场中央空调工程，共3栋，总建筑面积约为15000m2，三层高度为14m。根据当地土壤情况，取样试验，该土地土质条件为：PH（25℃）6.8-8.2，导电率（25℃）（US/CM）800以下，氯离子200以下，硫酸根离子200以下，酸消耗量PH4.8100以下，全硬度200以下，钙硬度150以下，氧化硅50以下，满足热泵水质要求，且水量充足，适合打井。

在考虑初投资及运行费用节约的前提下，主机采用地源热泵机组，主机的冷却系统采用地下水循环的方式。且本设计利用消防水池为中间缓冲空间，完成制冷机组的冷却水循环，大大提高了地下水的利用率。

4.2空调方式：

根据当地的气温条件和商场建筑，空调末端采用吊顶式空调机组的形式，空调总冷负荷为2100kw，热负荷为1000KW，根据各建筑的使用率约为85%，最终冷负荷为1800kw。3栋楼共用一个机房，机房的总负荷约为1800KW，打五口井，两供三回，每口井出水量为150m3/h，回灌井运行15天左右回扬10-20分钟，保证井与井之间距离为30m。

4.3系统形式的选择：

一次水系统为开式系统，潜水泵抽取地下水至消防水池，再由消防水池排至回灌井，避免地下水泵长期运行，节约地下水，节约用电，提高地下水使用率。

二次水系统包括两部分：（1）板换热源侧水泵抽取消防水池过板式换热器再回到消防水池或回灌井（开式系统）；（2）板换使用侧水泵循环系统内水过地源热泵主机，再经板式换热器换热后，再次循环（闭式系统）。二次水系统板换的热源侧为开式，其循环泵根据板换使用侧温度变频运行，使循环泵在低负荷下节能运行；二次水系统板换的使用侧为闭式，其循环泵根据系统压力变频运行，在很低负荷下通过压差旁通阀旁通，解决了传统中央空调大系统在低负荷状态下无法运行以及能源浪费严重等问题。

利用消防水池作为系统调峰使用，节约打井费用，减小初投资等，地下水潜水泵根据消防水池液位启停，以便充分利用地下水和节约用电。二次水系统板换热源侧循环水泵根据板换使用侧温度变频运行，抽取消防水池内的水经板换后，由电动三通阀根据温度控制其回水或循环水，当消防水池的水温低于20℃时，冷却水继续循环；当消防水池的水温超过20℃时，冷却水回灌于回水井，完成一个整体循环，冬季相反。

地源热泵机组启停控制其热源侧管路的电磁阀开关，因此板换使用侧的水泵根据系统压力变频运行，同时为保证地源热泵机组在低负荷状态下运行，板换使用侧供回水管间设压差旁通阀；末端水系统由地源热泵机组带水泵为系统提供循环动力，循环在热泵机组与室内末端间系统内的水。原理图如图2。（夏季时阀门1、3、5、7开，冬季时阀门2、4、6、8开）

图2地源热泵系统原理图

4.4消防水池：

①可以充分利用各种蓄水池（如消防水池），不一定要单独设置专用的蓄冷装置；②制冷机的蓄冷过程中接近正常空调工况，不用改变制冷机的工作条件，可以保持制冷机的高效率运行；③直接取冷，取冷快，不像冰蓄冷系统对取冷功率有较大的限制。尤其对已有蓄水池的场所，水蓄冷初投资可以大为减少，很适用于改造和扩建工程。

选择开式系统，还可以利用消防水池进行调峰填谷，该消防水池的容积为625m3，水池水体初温经测量为20℃，则其蓄冷能力为：

由此可知消防水池可以满足系统峰值情况下运行接近20小时，因此采用消防水池蓄冷补充高峰负荷时的部分冷量是可行的，因此把消防水池作为一个中间装置利用其蓄冷（热）和减轻系统压力。

5.结论

通过对地源热泵技术和地源热泵空调系统工程实例进行分析，我们发现：

（1）与传统的家用空调制冷系统相比，地源热泵是最节能并且对环境污染最小的一种选择，如果推广地源热泵系统，将能够显著地节约能源和减少污染；

（2）地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高30%-40%。虽然初投资较大，但是运行费用相对低很多。

（3）地源热泵系统可供暖、制冷，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。

（4）地源热泵空调系统维护费用低，在同等条件下，采用地源热泵系统的建筑物能够减少维护费用。地源热泵非常耐用，它的机械运动部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安装在室内，从而避免了室外的恶劣气候

（5）地源热泵其主要限制条件，对于有些工程规模大，制冷或制热负荷大，所需水源水量很多，占地面积大，如因地质条件差不适宜打井，或水资源不充足；或地处繁华市区，场地面积狭小，无处布井取水等等条件限制，都难以完全满足工程负荷需要，继而限制了水源热泵系统的应用。

所以在条件允许下，地源热泵属经济有效的节能技术，应予以推广。

参考文献：

[1]张银安，李斌.开式地表水地源热泵系统的应用分析[J].2007，37（9）：99-104.

[2]ASHRAE．地源热泵工程技术指南[M]．徐伟，等译．北京：中国建筑工业出版社，2001

[3]苏登超，刁乃仁，方肇洪.地源热泵技术与建筑节能[J].中国科技成果，2004，（3）：35-38.