试论环保节能地源热泵技术应用研究

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【摘要】地源热泵供热系统工作原理，首先是在制冷回路内充注制冷剂。压缩机通入三相交流电高速旋转，将低温低压制冷剂气体吸入压缩机。经压缩后变成高压高温气体，这些高温气体在通过冷凝器冷却的同时，把大量的热量传给了冷凝器另一侧，即室内空调末端系统，也称采暖系统。本文阐述了地源热泵技术的分类及其应用，分析了地源热泵的特点及经济效益，提出地源热泵在我国节能、环保、可持续发展中具有广阔的前景。

【关键词】地源热泵；节能；环保；可持续发展；研究

0.引言

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（HeatPump）是一种从低温热源汲取能量，使其转换成有用热能的装置。

1.地源热泵的分类与应用

按照冷热源的不同，可将地源热泵系统分为以利用土壤作为冷热源的土壤源热泵、以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统和以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统三类。

1.1土壤源热泵

土壤源热泵是利用地下岩土层中热量进行闭路循环的热泵系统。热泵的换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。它通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在密闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。冬季供热时，流体从地下收集热量，再通过系统把热量带到室内。夏季制冷时系统逆向运行，即从室内带走热量，再通过系统将热量送到地下岩土层中。

地下热交换器的布置形式主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三类。垂直埋管换热器通常采用的是U型方式，按其埋管深度可分为浅层（小于30m），中层（30～100m）和深层（大于100m）3种。垂直埋管换热器热泵系统占地面积小、需要的管材少、泵耗能低，单位管长换热量高于水平埋管，但造价相对要高。水平埋管换热器有单管和多管2种形式，一般埋设深度为1.5-3.0m。水平埋管换热器造价相对低，目前广泛使用。但需要较大场地、运行性能不稳定、泵耗能高、系统效率较低。蛇行埋管换热器比较适用于场地有限的情况。虽然挖掘量只有单管水平埋管换热器的20%～30%，但用管量会明显增加。这种方式的特点类似水平埋管换热器。

1.2地下水源热泵

地下水源热泵系统的热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。最常用的系统形式是采用一侧连接地下水，一侧连接热泵机组（板式换热器）。早期的地下水系统采用单井系统，即将地下水经过板式换热器换热后直接排放。其缺点是既浪费地下水资源，又容易造成地层塌陷，甚至引起地质灾害。后来产生了双井系统，一个井抽水，一个井回灌。

地下水热泵使用最多的是深为50m以内的浅井，其优点是造价比土壤源热泵低、水井与水井之间很紧凑、占地面积小、技术比较成熟。缺点是可供的地下水有限、水处理要求严格、抽取的地下水全部回灌并且不能受到污染。现在更多采用的是1抽2回或2抽3～4回技术，这种技术目前沈阳等城市采用较多。

1.3地表水源热泵

地表水源热泵系统的热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。地表水源热泵主要分为闭路系统和开路系统。在寒冷地区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。地表水源热泵具有造价相对低廉、泵耗能低、维修方便以及运行费用少等优点。但这种地表水源热泵系统也受到自然条件的限制。

在公用的河流中、管道或水中的其他设备容易受到损害。如果河流、湖泊过小或过浅，水的温度会随气候发生较大的变化，容易产生效率降低、制冷或供热能力降低的后果。这种技术沿海城市采用得较多。

2.地源热泵系统的技术优势及经济效益和发展

2.1充分利用自然资源实现高效节能

太阳能是取之不尽的可再生绿色能源，地表浅层相当于一个巨大的太阳能集热器，它收集了47%的太阳能，比人类每年利用能量的500倍还多。地源热泵在冬季就是利用这种储存于地表浅层的无限的能源作为热源；在夏季则以地表浅层恒定的地能温度作冷源，只需小功率的压缩机就可实现能量转换的空调系统。调研结果表明，使用地源热泵技术比风冷热泵节能40%，比电采暖节能70%，比燃气炉效率提高48%，所需制冷剂比一般空调减少50%，是真正意义上的高效节能。

2.2具有极大的环境效益

传统的供暖、空调方式分别解决冬季供暖和夏季制冷。其系统投资大、占地多，且对环境的影响很严重。大气是人类赖以生存的最基本环境要素之一。然而，由于冬季采用煤炭、燃油和天然气等作为燃料，燃烧产生的大量污染物，包括大量的，等气体造成的大气污染，严重破坏着大气环境，降低了人们的生活质量。夏季使用的空调系统同样存在着：排放，作为重要的温室气体是造成全球性气候变化的主要因素之一，将大量废热排人大气，产生了热岛效应，同时还产生令人难以忍受的噪音，使得外界空间环境条件更加恶化。而地源热泵则利用大地的蓄热能力，把夏季多余的热能排人大地留作冬季取用，把冬季多余的冷能留作夏季取用，源头上根除了空调系统对城市热岛的效应。

地源热泵的污染物排放很低，系统所使用的制冷剂在工厂里注人并被完全密封，使用过程中绝无泄漏，用户任何时候均不必添补制冷剂，因而减少了对臭氧层的破坏。热泵系统可以建造在居民区内，在冬季供暖时省去了锅炉和锅炉房，没有燃烧，没有排烟；也没有废弃物，不需要堆放燃料、废物的场地，不用远距离输送热量，极大限度地改善其他空调方式的及颗粒物等污染物的排放量；供冷时省去了冷却塔，避免了冷却塔噪音及霉菌污染。地源热泵所使用的地下水可全部回灌，不会对水质产生污染；地源热泵系统不直接消耗煤或燃油、天然气等矿物燃料，从而达到了绿色环保的要求。

2.3运行稳定可靠且使用寿命长

传统的空调系统不论是水冷还是风冷，换热环境均为大气，由于它的换热器必须置于暴露的空气中，故不可避免地受到环境条件变化的影响，降低换热效率和使用寿命，并且影响了建筑物的外观；而地源热泵以土壤作为热源的主要优点在于土壤温度的相对稳定，基本不受外界环境的影响；埋管热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的能耗；热泵系统设计简单，运动部件比常规系统少，且安装在室内，自动控制程度高，可无人值守；系统安全无燃烧设备，不存在爆炸、燃烧的隐患；由于系统不暴露在风雨中，因而维护简便，机组使用寿命均在20a以上，地埋管换热器寿命可达40～50a；地源热泵系统的供冷、供热平稳，降低了停、开机的频率和空气过热和过冷的峰值；把地源热泵换热器埋于地下，也不会破坏建筑物的外观。

2.4经济效益分析

地源热泵系统的经济性是由多方面来确定的。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。以地源热泵系统与其他能源方式的投资进行比较，以北京100个家庭为例，冬季采暖125d总耗热量为：100x125dx24hx3600x0.05kW=5400万kJ，为获得这么多热量，选用不同的采暖方式，耗用的燃料、燃烧效率、能源成本均有不同。

统计可知，燃煤供暖最经济，但是由于北京地区已经限制燃煤使用，综合比较，地源热泵系统为最佳选择。仅以燃油锅炉与地源热泵提供同样供热量为例，对地源热泵的环保特性分析比较，假设地源热泵的电力来源于燃油电厂。供热量为5400GJ的情况下，燃油电厂锅炉所需的燃油热量为4050GJ；而如果直接使用燃油锅炉，其热效率为80%，则需燃油热量为6750GJ。

3.结语

在我国全面建设资源节约型、环境友好型社会的进程中，地源热泵这一集节能、环保为一体的新技术，将越来越受到人们的重视与青睐。相信在不远的将来，经过国内工程技术人员的不懈努力并借鉴国外的成功经验，我国的地源热泵应用将得到进一步的推广和发展，它将为我国的可持续发展带来新的契机。