暖通空调设计中地源热泵的应用

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摘要：

所谓的地源热泵，即将传统空调系统中的蒸发器或者冷凝器埋入地下，其与大地热交换的过程中，或者中间介质在封闭的环路中经过大地进行循环流动，以实现与大地的热交换的方式达到空气调节的目的。即地源热泵系统的热源是大地。这种空调系统具有良好的运行效果，而且可以大幅降低能量的消耗，是目前值得推广的节能空调系统技术。

关键词：暖通空调；地源热泵；设计

一、地源热泵的优缺点

（一）地源热泵的优点

按热泵驱动的形式，可把常见的热泵分为四种：1)机械压缩式热泵；2)吸收式热泵；3)蒸汽喷射式热泵；4)热电热泵。地源热泵存在以下优点：1)不向建筑外大气环境排放废冷或废热，有利于环保；2)室外换热器埋在地下，不存在冬季除霜问题；3)不影响建筑外立面的美观；4)全年土壤温度波动小且数值相对稳定。夏季土壤中的温度低于气候条件下的地面空气温度，冬季土壤中温度高于对应气候条件下的地面空气温度。理论上讲，降低冷凝温度和提高蒸发温度都可提高循环效率，达到节能的效果；5)在室外空气温度处于极端状态时，用户对能源需求量处于高峰期。而由于土壤对地面空气温度波动有衰减和延迟，和空气热源相比，在相同的条件下，它可以分别提高夏季或冬季的供冷量或供热量；6)利用土壤的蓄热能力，将夏季空调房间中的热量排人土壤中，冬季供暖时取用。将冬季供暖房间中的冷量排入土壤中，夏季制冷时取用，可满足冬夏两季供暖与制冷的需求，而且不会对大气环境造成热污染及噪声污染。

（二）地源热泵的缺点

地源热泵的缺点主要体现在以下几点：

1)土壤特性问题。地源热泵系统的性能好坏与当地土壤热特性密切相关，地热源的最佳间隔和深度取决于当地土壤的热物性和气候条件。土壤的热特性研究主要包括土壤的能量平衡、热工性能、土壤中的传热与传湿以及环境对土壤热物性的影响等。2)地下换热器传热机理的理论研究繁多，但缺乏理论与实践的有效结合，缺乏多环境下应用技术的系统研究以及实际有效的强化传热方法。3)不同冷、热负荷下，地下换热器与热泵系统最佳匹配技术的研究不够。90年代以来，地热空调技术的研究热点依然集中在地热能换热器的换热机理、强化换热及热泵系统与地热能换热器匹配等方面。与前一阶段单纯采用“线源”传热模型不同，最新的研究更多地开始关注相互耦合的传热、传质模型，以更好地模拟地热能换热器的真实换热情况；同时开始研究采用热物性更好的回填材料，以强化土壤埋管在土壤中的导热过程，从而降低系统用于安装土壤埋管的初投资；为进一步优化系统，国外有关地热能换热器与热泵装置的最佳匹配参数的研究也在开展。4)热泵技术与其他技术的配合问题：地源热泵技术是暖通空调技术与钻井技术相结合的综合技术，两者缺一不可，这要求工程组织者和工程技术人员能够合理协调、做好充分的技术经济分析。

二、地源热泵分类应用

(一)大地耦合热泵

大地耦合热泵就是以地表浅层的土壤作为热源或热汇，它与传统的空气热泵(ASHP)相比，具有很多优势：(1)相对于地表的空气和水来说，一定深度地下土壤的温度全年波动较小，加上土壤对地表空气温度的波动具有延迟和衰减，因此在大多数情况下，比空气更适合作为热泵装置的热源和热汇，且能保证系统以较高的效率运行。(2)土壤作为热源和热汇，可以全部或部分的取代传统空调系统中的冷却塔和锅炉，以减少对环境的“热污染”和空气污染。(3)与空气热泵相比，大地耦合热泵不存在除霜问题，且回收土壤的热量不需要风机，可以使系统的噪声等级下降。(4)土壤本身是个巨大的蓄热蓄冷体，因此大地耦合热泵可以和太阳能集热装置结合起来，通过土壤的蓄、放热获得更好的供热、制冷效果。当然，大地耦合热泵也有一些缺点。(5)土壤的传热性能欠佳，需要较大的传热面积，导致占地面积较大。(6)在地下埋设管道成本较高，运行中若产生故障也不易检修。(7)土壤受热干燥后，其导热能力显著下降，夏季难以向外排热，成为不可逆运行(夏季不需制冷的地域是可行的)。

（二）地下水热泵

地下水热泵属于地源热泵中的一个重要分支，也是至今为止应用最广泛的地源热泵技术之一。这种热泵技术供热、制冷的实现是以地下深井水提供热源或者热汇为基础的。因为地下深井水位的位置处于地层中，其深度比较少，受到隔热及蓄热作用，季节气候的变化不会对其水温产生太大的影响，甚至一些深井水的水温可以常见不变，因此热泵运行的优势明显。具体而言其优点体现在以下几个方面：第一，水井系统由于布局紧凑，因此占地面积不大，但是其抽取、回灌地下水的效果却不会受到占地面积的影响；第二，对于大地耦合热泵来说，它的地式热交换器的单位容量的成本改善的空间很小，基本就是定数，但是对于大型的地下水热泵系统而言，它的井水系统单位容量的成本却非常低，一对流量较高的井就能够满足整个建筑空调系统的运行需求；第三，和传统的中央空调系统相比，地下水热泵循环系统只要设计合理，几乎不用维护，也就不会产生维护费用，并且如果地下水回灌到蓄水层后，实际地层含水量不会受到影响，因此对于生态、地理环境的影响也不大；第四，现在各大商业系统中很多都采用了地下水热泵系统，经过多年的实践发展，其技术已经比较成熟，钻井施工技术也比较简单。

当然，它也存在一定的不足之处，具体表现在以下几个方面：第一，空调的冷热源来自于含水层所蓄存的水，其温度必然会受到限制；第二，如果钻井施工不好或者地下水质受到不同程度的污染，则在进行回灌井的选址时要将水文地质条件考虑进来；第三，如果热泵装置系统设计不好、水位较深，则泵的消耗费用就会大幅上升。由此可见，如果要在某个地区热泵的冷热源决定采用地下水，则不仅要进行严格的泵水试验，核查该处的地下水量是否足够，还要对地下水的水质做进一步的检测，规划方案的制定越准确、越详细越好。

地表水热泵

所谓地表水热泵，即是采用大地表面上的河流、湖泊等水源作为冷热源，实现建筑空气调节的技术。与地下水温度变化十分不明显的特点相比，地表水的温度变化幅度则非常大。所以，如果空调系统在冬天运行，由于此时的外界温度较低，为了使供暖所需的热量得到进一步的保证，不仅要在系统中设置热泵，还要加设另外一套热发生设备，即采用双联热泵采暖的模式。具体而言，地表水热泵在实现的过程中可以采用以下技术：第一，将蒸发器直接设置在地表水中， 这种装置属于一种分体式设备，因为地表水的水质相对较脏，因此系统的蒸发器一般都采用板式热交换器。这种方法不仅装置结构简单，而且成本也比较低，不过一旦地表水位出现变化，蒸发器板就很难固定，其表面也要做高频率的定期清理，此外，如果蒸发器发生制冷剂泄漏事故，则会导致热泵的损毁。第二，经盐水循环间接引用水的热能，这种技术也是将板式热交换器设置在地表水中，不过蒸发器中所流过是盐水溶液来取代制冷剂。因为盐水的温度比地表水的温度低，所以可以将地表水中高出盐水的热量吸收，盐水将其所吸收的热量传输到热泵，当温度降低后再重复吸收地表水热量，如此循环实现对空气的调节。热泵和蒸发器共同组成一个单元，盐水回路将地表水中的热交换器以及热泵的热交换器连接在一起，其中盐水循环泵输送盐水溶液，回路中有必要设置膨胀箱。此外，要保证整个系统中地表水的热势必要足够，而且载热剂系统的容量也要充足。同样，该系统也存在清理、固定板式热交换器的问题。

总之，地源热泵技术是一项可以有效节约能耗，是值得大力推广的节能技术之一。