地源热泵系统在寒冷地区的应用

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摘要：本文分析对比了传统采暖空调系统的形式及其在节能环保方面所面临的问题，在此基础上提出了新的采暖空调方式――地源热泵采暖空调系统，阐述了该系统的应用中应该注意的问题。特别是在寒冷地缘，夏季需要空调制冷，冬季需要采暖，但无市政政热的情况下该系统能很好的解决冷热源问题，更经济、更节能，并介绍了实践应用工程。

关键词：地源热泵系统 ；地板辐射；节能；

前言

当前，能源供需矛盾是世界各国面临的共同性问题，这种矛盾将是长期的，并非短期内所能解决，因此节能工作受到普遍的重视。我国1980年制定的能源方针就指出“开发与节能并重，近期内把节能放在优先地位，对国民经济实行以节能为中心的技术改造和结构改造”。暖通空调作为耗能较大的行业，在节能环保的大背景下，低碳环保的生活方式对暖通空调市场影响深远。据初步统计一般中央空调能耗约占整个建筑总能耗的50％左右，对于商场和综合大楼可能要高达60％以上，因此节约建筑空调能耗是刻不容缓的。可再生清洁能源的开发利用已列为国家能源的优先发展战略，目标是2020年可再生能源在新建筑中的应用比例达到50%，提倡选用新型的节能环保空调势在必行。地源热泵作为一种浅层地热的可再生能源利用技术，既可以制冷，又能供暖，近年来在我国得到了大规模的应用。特别是在我国北方地区，夏季要制冷冬季要采暖，地缘热泵系统作为一个环保节能的系统应用更为广泛。

地缘热泵系统与传统空调系统的比较

1、什么是地源热泵系统：地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达4-6，其运行费用为普通中央空调的50～60％。 这种以地下浅层的地能资源即土壤源地热为主要冷热源，以电能为辅助动力，以循环水为换热介质，由地下换热系统、热泵机组系统和室内末端系统组成的既能制冷又能供暖，还可提供生活热水，并可与地板辐射采暖系统兼容的高效节能中央空调系统。

地源热泵系统与传统的空调系统对比分析：

项目 地源热泵中央空空调 溴化锂吸收式直燃机组 水冷机组+热水锅炉 家用分体空调

占地面积 机房占地面积小，可采用小机组灵活安装 机房占地面积较大 需要冷冻机房和锅炉房，占地面积大 室外机安装在室外，对建筑外立面有影响

设备寿命 25年 10-15年 冷水机组20年、锅炉10年 10年

水资源消耗 利用地下水或土壤的热量，不消耗水资源 夏季冷却水补水为循环水量的1-2%、冬季供热需排污补水 夏季冷却水补水为循环水量的1-2%、冬季供热需排污补水 不消耗水资源

能源利用 利用电能及土壤能，能效比4-6 燃油或燃气，能源利用率80% 夏季利用电能，能效比3.5-4.5、冬季燃油或燃气，能源利用率80% 利用电能，额定工况下能效比3.0-3.5，随气温变化有较大变化

环境保护 无燃烧、无排放污染物、无热岛效应 有燃烧污染物、冷却塔有噪音和水霉菌污染 有燃烧污染物、冷却塔有噪音和水霉菌污染 有噪音

设备维护及运行费用 运行费用低，能节约40-70%费用 冷却塔和水泵能耗较大，机组冷量衰减快 需要制冷及供暖两套机组，系统复杂，锅炉房需设置安全措施 热泵机组受室外气候影响较大，运行费用高

3、地源热泵系统的主要优点：

①、高效：一般空调对着空气换热称为风冷热泵，缺点在于天气炎热或者寒冷最需要冷量或热量时效率反而下降。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。②、节能省费用：冬季运行时，COP约为4.2，即投入1KW电能，可得到4KW的热能，夏季运行时，COP可达5.3，投入1KW电能，可得到5KW的冷量，能源利用效率为电采暖方式的3-4倍；并且热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的用电能耗。比常规空气源空调节能50%左右。 ③、环保：供热时没有燃烧过程，避免了排烟污染，供冷时省了冷却塔，避免了噪音及霉菌污染。 ④、舒适：因为地源热泵机组供冷暖时都是通过冷热水经风机旁管（或地板管、墙埋管）交换完成的，所产生的冷气和暖气（或辐射热）比常规空调的要更柔和的多，热不易感冒。 ⑤、节省占地面积：省去了冷却塔、锅炉及与之配套的煤棚和渣场，节省了土地资源，产生附加经济效益，并改善了建筑物的外部形象。 ⑥、安全：无燃烧设备，从而不存在爆炸、失火和中毒的隐患。 ⑦、机组寿命长：热泵机组长期在良好的低温井水（16℃）下进行热交换工作，可大大延长机组寿命。 ⑧、一机多用：地源热泵系统可供暖，空调，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。 ⑨、可再生：土壤有较好的蓄热性能，冬季通过热泵将大地浅层的低位热能提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用，保证大地热量的平衡。 ⑩、可分区控制：中央空调享受的档次，又可达到单体空调局部控制的效果，不存在“大马拉小车”。

地缘热泵系统在设计应用中应注意的问题

随着地源热泵城市级的应用项目的大量快速增加，应注意浅层岩土热量的不平衡问题。

地源热泵空调系统的关键在于地下换热器，而设计地下换热器的关键是年冷热负荷的平衡，必须强调保持全年释热量与取热量的基本平衡的设计原理与原则，地源热泵系统利用的“热”主要来源于工程设计上的补充，而不是自然的储存或再生热能。在设计上不考虑这些因素的系统将迟早面临崩溃的危险。

通过对当地岩土热物性进行的热响应测试和模拟计算，土壤夏冬季单位换热量为：夏季供冷68W/m，冬季供热40W/m。

在设计上按照以冬季采暖热负荷设计地下换热器规模的原则。可保证土壤长期热平衡状态不被破坏。

四、工程案例

以笔者设计的郑州某商住楼为例阐述地源热泵系统在寒冷地区的夏季空调与冬季采暖结合的应用情况。

1、项目概况：

本工程位于河南省郑州市，建筑面积35886平米，一至三层为裙房商业，商业采暖空调面积9160平米，四层至十六层为住宅，住宅采暖面积19700平米。

设计内容：

夏季商铺的舒适性中央空调采暖设计及通风、防排烟设计，住宅的冬季采暖设计。

设计参数

商铺设置机械排烟，排烟量按最大防烟分区120m3/h.m2 计算，利用自然补风。

夏季商铺空调设计总冷负荷约1830kW，冬季住宅及商铺供暖总冷负荷约为1800 kW。

空调系统

商铺空调采用吊顶式空气处理器加新风系统，为了降低商铺内的噪音，吊顶式空气处理器所选的型号的处理空气量皆小于等于4000 m3/h，并在设备出风管上装设消音器。新风系统采用全热交换器处理，全热交换器为有旁通管型，全热交换器的处理空气量亦皆小于等于4000 m3/h，并装设消音器，以降低噪音。过渡季节时当室外焓值高于室内时，通过置换将室外新风送入室内，满足人员新风要求，当室外焓值低于室内时，通过全热交换器的旁通段直接将室外空气送入室内，已达到节能及降温的目的。

采暖系统

商铺采暖与空调系统共用末端设备，以节省造价及安装空间。住宅采暖采用地板辐射采暖，提高室内舒适度。

冷热源

选用优质高效的单螺杆式水源热泵机组两台，额定制冷量为898.3kW，额定制热量为986.6kW，制冷工况：冷冻水进/出水温分别为12/7℃；水源水进/出水温分别为18/29℃；制热工况：热水水进/出水温分别为45/55℃；水源水进/出水温分别为15/7℃，耗电量制冷/制热为158.8/220.8kW，COP值为5.7/4.5。水源侧采用地埋管，以降低机组对水质的要求，也不用考虑回灌难度问题。

与传统的市政热力系统比较，每年可节约标准煤230吨；减排等效二氧化碳380吨；粉尘100吨。

五、结语

与传统空调系统相比，地源热泵技术的采用将使节能建筑越来越被市场认可和接受，以其热效率高、运行费用低、管理方便、安全可靠等优点真正实现经济效益、社会效益和环境效益的有效结合。地源热泵系统虽有如此优势，但目前也存在一些问题。①缺乏完善的国家地源热泵产品制造标准和应用技术规范欧洲水-水型地源热泵机组的标准体系与美国地埋管换热系统设计标准不一致，一些推广者盲目地将欧系水-水型机组与地耦管式换热系统结合使用，出现大量失败案例。②国内大多数地源热泵推动者都是设备制造商，在提供地源热泵设备（机组）时不能提供整体系统的设计，造成机组节能而系统并不节能。③多头管理，归口部门不明晰，各地推广地源热泵技术的管理部门多种多样，比较混乱。在能源问题日益严重的今天，探索、设计经济、节能、环保、舒适的节能空调采暖系统是我们每个暖通设计者的职责和最求目标。

参考文献：

[1] 陆耀庆，主编，《实用供热空调设计手册》中国建筑工业出版社，2008年第二版

[2] 《地源热泵系统工程技术规范》 GB50366-2005中国建筑工业出版社，2005年版

[3] 《采暖通风与空气调节设计规范》中国计划出版社GB50019-2003

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。