地源熱泵系統環保節能特性探討

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摘要：介紹了地源熱泵系統的原理，闡述了其環保節能的特點，并對設計中可能出現的問題簡要的分析并提出了相應的解決措施。通過對熱泵的主要形式、技術特征、適用范圍的介紹，特別是在埋管方式和深度等方面，進一步對系統進行了探討和分析。地源熱泵是一種高效、節能、環保的空調方式。

關鍵詞：地源熱泵；空調系統工作原理；環保節能；熱平衡

地源熱泵系統指的是一種能夠利用地殼表層地熱資源的（即通常深度小于400m），既能供熱又能制冷的空調系統，是節能又環保的設備?？衫玫牡責豳Y源有以下三種，包括土壤、地表水、地下水?！杜照{術語標準》[1]（GB50155-92）第6.4.43條：熱泵，是能實現蒸發器與冷凝器功能轉換的制冷機。因此，從某種意義上來說，熱泵在實質上就是制冷機。

1地源熱泵系統的工作原理

地源熱泵系統主要由以下幾部分組成；地源熱泵機組，循環泵，地下埋管，風機盤管末端設備，供回水管路，溫控閥等閥門配件組成。內陸地區的實際應用中，經常采用的是一土壤作為地能資源的地源熱泵系統，因此我們以土壤作為地能資源形式進行地源熱泵系統的工作原理介紹。通常，水從高處流向低處，熱量從高溫流向低溫，而水泵卻可以實現逆向，達到將水從低處輸送到高處的目的，同理，熱泵就是實現了熱量的逆向。地源熱泵系統通過輸入少量的高品位能源（如電能），冬季實現大地低溫位熱能的提高，給建筑物供熱，并利用大地進行蓄存冷量并為夏季備用；夏季將建筑內的熱量釋放給大地并進行蓄存，實現建筑的降溫，同時為冬季儲備使用，工作原理見圖1。實質上，地源熱泵是利用大地實現動態能量的平衡系統，因為它充分挖掘了大地的蓄能作用。地源熱泵系統根據運行模式可以分為開式循環和閉式循環2種，我們以常見的閉式循環系統進行介紹。若根據埋管方式不同，還可以分為水平埋管、垂直埋管兩種形式，分別見圖2、圖3。水平埋管：施工技術相對垂直埋管來說簡單，但是埋管所占用的場地較大，容易受到外界氣候的影響，冬夏兩季聯用的效果不盡人意，比較適合單季使用。垂直埋管：就是在地殼中垂直鉆孔，前期鉆孔費用高，但是后期維修費用低，占地面積小，換熱能力較強，基本不受外界的影響，適合冬夏冷暖聯供系統，也是近些年主要采用的系統形式。

2地源熱泵系統的特點

地源熱泵系統供熱時不需要燃燒礦物燃料，無污染，制冷時，不需要設置冷卻塔，避免噪音，不滋生霉菌。按文獻[2]，燃燒礦物燃料可產生1500℃~1800℃的高品位熱能，但是一般來說，建筑只需要20℃~25℃低品位熱能，因此直接燃燒礦物燃料就會造成大量的熱能損失；如果地源熱泵取用溫度15℃，室內環境溫度為25℃，理論上逆卡諾循環工作的熱泵的性能系數COP達到29，根據一次能源利用率，COP也依然能達到25左右，因此采用熱泵技術可大大降低供熱燃料的消耗，還能減少燃燒礦物燃料引起的CO2和SO2等污染物的排放。地源熱泵系統可靠耐用，室外地埋管壽命可達到50年，熱泵機組壽命為15~25年，熱泵主機系統安裝于室內時，不會日曬雨淋，壽命遠遠長于傳統空調。下面以VRV空調系統為例與地源熱泵空調系統進行比較。

3設計應注意的問題

3.1冬夏季吸收放出熱平衡的問題

《地源熱泵系統工程技術規范》[3]（GB50366-2005，2009年版）第4.3.8條：豎直地埋管換熱器埋管深度宜大于20m；這樣做的目的：一方面是為了避免換熱短路，另一方面，可以有效地減少淺層地表溫度對地源熱泵機組的影響。水平埋管的方式，由于水平管埋得較淺，可以與地表充分地進行熱交換，不容易出現地下土壤的熱平衡問題。垂直埋管的通常做法是：在地層中鉆取直徑為100~150mm的鉆孔，鉆孔中應設置U型管并用填注材料進行填實，埋深一般取30~100m，以此來保證此時與地面及周邊土壤的熱交換量較小，但是在進行設計并計算后，如果平衡差較大，需要采用混合式地源熱泵系統的方式，即在原有的系統基礎上增加太陽能輔助加熱或冷卻塔冷卻，以此來彌補缺失的熱量或冷量，保證系統的正常運行，否則的話，將出現地下土壤溫度失衡的問題，熱泵機組工作能效較低，甚至可能出現無法運行的嚴重后果。

3.2管徑最小流速

南方地區地溫普遍較高，一般直接采用水作為工作流體，水是最容易獲得的循環流體，并且具有低密度和高傳熱導數，流動性能也好的特點。北方地區的冬季地溫偏低，都會用到防凍液。而地源熱泵系統中有很多材料可能會和防凍液接觸，如：鋼、黃銅、鋁等材料。防凍液應采用安全無毒、導熱性能良好的液體，常見的有：氯化鈣水溶液，乙二醇水溶液，丙三醇水溶液。防凍液對地源熱泵材料有一定的腐蝕作用，因此還要加入一定量的緩蝕劑，緩蝕劑是在與水接觸的金屬表面形成將金屬和水隔離的保護膜，來達到緩蝕目的。

3.3水力平衡問題

換熱量的大小決定地埋管的總長度，水力平衡與各環路長度有關。地埋管系統是水系統的范疇，連管方式可分為異程式，同程式，垂直埋管的異程式、同程式示意圖分別見圖4、圖5。異程式布置可以根據現場實際情況進行布置，而不用考慮回路長度，但是各個環路之間容易出現水力失調的問題，需要安裝調節閥進行平衡，后續管理工作量大。同程式布置時環路都是平衡的，運行平穩，因此對并聯的各支路應盡可能的采用同程設計，否則，較短的環路反而承擔較多的熱或冷負荷，地下土壤的溫升或溫降更大，導致熱泵機組的工作能效降低。

3.4管材選擇問題

對于地源熱泵系統來說，一旦將換熱器埋入地下后，就應該盡可能的避免維修或更換，所以，地埋管要保證化學性質穩定，有較好的耐壓能力，流動阻力小，導熱系數大等特點。土壤源熱泵系統中優先推薦采用PE管材，特別是在耐低溫方面表現出的優異性能，非常適合北方地區使用。其他塑料管材可以選用聚乙烯、聚丙烯塑料管道，鋁塑復合管等管材。塑料管屬于“柔性管”，地埋管要與周圍的土壤承受同樣的荷載，并能有效的抵抗地下運動，塑料管的連接方式多為熱熔連接，在抗內壓能力方面穩定性好，能承受一定范圍內的軸向拉伸應力和扭曲變形，但管道受溫度變化影響較大，容易在管道應力集中處就會出現破裂等現象。設計時，應考慮每隔一段距離設置固定支墩，便于分解管道所產生的應力。

4結論

供熱和空調作為老百姓的日常需求和追求的生活品質，地源熱泵系統已經逐布向農村發展。采用地源熱泵系統可以提高一次能源利用率，可以實現供熱制冷，還可以提供生活熱水滿足日常需要，特別是在沒有集中供熱的區域，可以廣泛應用。在北方地區采用冬夏聯用的地源熱泵，設計時要注意吸收放出熱平衡，水力平衡的問題。地源熱泵系統具有的高效、節能、環保的特點，符合國家發展低碳經濟的戰略。

作者:王中海 單位:兗礦集團鄒城華建設計研究院

參考文獻：

[1]GB50155-92.采暖通風與空氣調節術語標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[2]刁乃仁，方肇洪.地源熱泵--建筑節能新技術[J].建筑熱能通風空調.2004，23（3）：18-23.

[3]GB50366-2005（2009年版）.地源熱泵系統工程技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[4]蔡增基，龍天渝，等編著，流體力學泵與風機（第四版）[M].北京：中國建筑工業出版社，1999.