暖通设计，地源热泵应用的技术分析与思考
发布时间：2020/6/24
地源热泵应用的技术分析与思考
颜爱斌
热泵是以消耗一部分高质能（机械能、电能、高位热能等）为代价，通过热力循环将热能从低温物体传向高温物体的能量利用装置。按热源形式分，一般有空气源热泵、水源热泵、地源热泵等几种形式。地源热泵是指利用土壤或地下水的低温位热能和它们的蓄热性能的一种热泵系统，在夏天制冷工况下，将埋地换热器作为冷凝器，向地下蓄热，冬天制热工况下，将埋地换热器则作为蒸发器从地下取热，这样既可以充分利用土壤的低位地热资源，又能将夏天的热量储存在地下，以供冬季使用，不但有良好的节能环保效益，也有非常可观的经济效益。因此，地源热泵是一种很有前途的可再生能源技术。
地源热泵技术的提出始于美英两国，美国从1946年开始对地源热泵系统展开研究，并在俄勒冈州成功运行了第一台地源热泵系统，由此掀起了美国应用地源热泵系统的高潮，目前，美国已安装了40万台以上的地源热泵系统，并以每年10%的速度增长。至2000年，美国利用地源热泵采暖节能源费用达4.2亿美元 .
在我国，地源热泵的应用还处于起步阶段，目前还只有很少的地源热泵机组成功运行，地源热泵机组的设计、安装、运行等诸方面还没有成型的标准和行业规范，其推广应用还处于探索期间，随着人们对环保、节能的日益重视,地源热泵在我国必将有广阔的发展前景。
一、地源热泵的特点
地源热泵系统的原理如图1所示
夏天工况时，关闭5、6、7、8阀门，打开9、10、11、12阀门，用户端和热泵系统蒸发器换热，冷冻水给用户供冷，埋地换热器通过冷凝器向地下蓄热以备冬用；科天工况时，打开5、6、7、8阀门，关闭9、10、11、12 阀门，用户端被切换到热泵冷凝器侧，此时，热泵系统给用户供热，埋地换热器从地下取出热量，相当于向地下蓄存冷量以备夏季使用。
使用地源热泵的优点是十分明显的，概括起来主要有以下几个方面：
1.1 机组性能系数高，节能效果好
与目前使用较为广泛的空气源热泵相比较，地源热泵的节能效果非常明显。空气源热泵系统夏天冷凝器侧、冬天蒸发器侧为工质-空气热交换，换热性能较差，特别是冬冷夏热地区，夏天空气温度过高，不利于冷凝器向空气放热；而冬天气温过低，不利于蒸发器从空气中吸收热量。同时，昼夜气温的较大幅度的变化也特别不利于热泵系统的高效、稳定运行。地源热泵系统夏天冷凝器侧、冬天蒸发器侧为工质-水热交换，换热性能好，而且通常情况下，由于地下温度比较恒定，地源热泵系统可以不受气温变化而稳定的运行。这样会非常有利于提高机组的运行的效率和稳定性。
地源热泵的埋地换热器无需除霜，和空气源热泵系统相比能减少大约13%的除霜能耗。
1.2 是一种有效的可再生能源技术
土壤具有较好的蓄热性能，通过埋地换热器，夏季利用冬天蓄存的冷量制冷，同时向地下蓄存热量，冬季则利用夏季蓄存的热量制热，同时向地下蓄存冷量。这样可以实现冬夏冷热互相联供，因此，地源热泵可以充分利用土壤的蓄热性能，实现冬夏能量互为补偿。是一种节能、环保、可持续发展的能源技术。
1.3 美观环保
地源热泵系统的埋地换热器置于地下，不受建筑物限制。由于不需要冷却塔等地上设备，也减少了建筑空间占用，美化了环境。地源热泵的节水效果也非常明显。在我国北方大部分地区，缺水问题十分突出，水源热泵系统由于冷却塔蒸发量较大，需要补充大量的冷却水；同时，白天和晚上的气温波动也会较大的影响机组运行效率。地源热泵采用闭路系统，夏天几乎不需要补充冷却水，是一种既美观又环保节能的空调系统。
二、地源热泵应用的关键技术
要发挥地源热泵的节能优势，提高地源热泵的运行效率，应充分注意以下几点：
2.1 优化埋地换热器的传热性能
目前国内外的埋管形式主要有闭式和开式，如图2所示。闭式又有水平式和垂直式两种，水平式埋地较浅，但需要较大的埋地面积；垂直式不需要很大的埋地面积，但需要另外钻井。开式系统又有双井系统和单井系统，它们主要是利用地下水的低位热能，单井系统技术简单，但容易造成地表水热污染和地下水位失调， 双井系统没有地表水热污染和地下水位失调的问题，但初投资较单井系统大，回灌井技术难度较大。采用何种方式，应因地制宜。有一种较好的方法是将埋地换热器置于建筑物地基的埋桩中，在浇筑埋桩之前先将埋地换热器置于井下，然后浇筑埋桩。这样不但可以节约大量初投资，而且可以一定程度上改善埋地换热器的换热性能。
闭式系统埋地换热器一般采用套管式和U型管式。套管式一般有较高的效率，但也容易出现热短路现象。U型管式的热短路现象可以忽略。
换热器的优化主要从流量、换热器材料、长度及形式等几个方面进行。具体应依据当地的土壤状况确定。当地土壤的热物性资料，包括土壤的密度、热导率、导温系数、含水率、温度等必须尽可能掌握，并在此基础上根据建筑物冷热负荷确定埋地换热器的形式、数量及安装形式。 一般认为，较大的流量可以减少换热器侧的可用能损失，能有效的提高系统效率。
2.2 优化热泵工质
采用合理的热泵工质能有效的提高热泵的性能系数。由于地源热泵需要较高的冷凝温度和较大的温度变化，目前的人工合成工质如R22等从技术性能方面来讲并非理想工质，另一方面，根据蒙特利尔公约，目前广泛使用的R22等氯氟烃工质引起对臭氧层的强烈破坏作用将逐渐限制和停止使用.因此寻求适合的热泵工质优十分重要的意义。
2.3 优化驱动设备
目前热泵的主要驱动力有电力驱动和燃气驱动两种，在燃气驱动方式中，又有燃气直接驱动和燃气发电驱动两种。目前电力驱劝普遍采用变频电机以适应空调的负荷变化以节约能源。
在我国，用来发电的一次能源中，燃煤仍占最大比例（1996年约为78%）。以煤炭作为主要能源会造成严重的大气污染，目前我国的CO2排放已仅次于美国，居世界第二。因此清洁能源如天然气在能源结构中的比重的提高，已成为我国能源结构调整战略的一部分。西气东输工程的启动将为燃气热泵的使用开辟广阔的前景。燃气发动机驱动热泵直接利用一次能源做工并能充分利用尾气余热，省略了电力这一中间过程，分析表明燃气发动机驱动热泵系统供冷时的一次能源使用效率可达1.3以上.另外，燃气发动机驱动热泵能方便地实现无级调速以适应空调的负荷变化，应该说是一种很好的热泵驱动方式。
2.4 优化热泵的智能控制系统
热泵的智能控制系统是保证系统高效、稳定运行的关键，采用完善的智能控制系统实现无人值守，能大幅度地节约人力成本及机组运行费用。
三、结 论
地源热泵在我国的研究与应用还处于起步阶段，热泵工质的研制和开发还需要进一步深入进行，各地区的地下热源状况、土壤热物性资料还需要进一步搜集和整理，埋地换热器特别是桩埋换热器的传热规律和强化传热还值得进一步进行实验研究和分析，地源热泵的系统性能优化和经济性分析也尚待深化。随着社会的发展能源问题日益突出以及人们的环保意识增强，地源热泵在我国必将得到广泛的应用，相关应用技术领域的研究也必将得到进一步的深化。
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