浅析地源热泵空调系统工艺流程及关键环节郭鹏1高双勇2

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郭鹏1高双勇2

1.济南四建（集团）有限责任公司山东济南250031；

2.绿地地产（济南）有限公司山东济南250000

摘要：由于地源热泵适用范围广，运行费用低，节能和环保效益显著已得到广泛的应用，采用地源热泵技术可以有效地提高一次能源利用率，减少温室效应气体C02和其它燃烧产生的污染物的排放，是一种可持续发展的建筑节能新技术。

关键词：地源热泵；中央空调系统

1、热泵空调系统的原理及特点

1.1.热泵原理

①在制冷模式时：高温高压的制冷剂气体从压缩机出来后进入制冷剂的冷凝器，向水中排放热量而冷却成高压液体，并使水温升高（此高温水的热量通过埋设在土壤中的管道传给了土壤）。到膨胀阀节流膨胀成低压液体进入蒸发器蒸发成低压蒸汽，同时吸收（蒸发吸热）水（或空气）的热量。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体，如此循环不止。水（或空气）温度被蒸发器降低用来冷却环境。

②在供热模式时：高温高压的制冷剂气体从压缩机出来后进入制冷剂的冷凝器，向水中排放热量而冷却成高压液体。到膨胀阀节流膨胀成低压液体进入蒸发器蒸发成低压蒸汽，同时吸收（蒸发吸热）水（或空气）的热量将水冷却（此“冷量”通过埋设在土壤中的管道传给了土壤）。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高压气体，如此循环不止。水（或空气）的温度被冷凝器升高用给环境供热。

由此可见，热泵与制冷机的工作原理和过程是相同的。热泵与制冷机在名称上的差别只是反映了在应用目的上的不同：如果以得到高温的热量为主要目的，则一般称为热泵；如果目的是从低温热源除去热量，或称得到冷量，则叫做制冷机（空调）。建筑空调系统一般应满足冬季供热和夏季制冷两种要求，传统的空调系统通常需分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉）。建筑空调系统如果在冬季以热泵的方式运行，则可以省去锅炉和锅炉房，而且全年仅采用电力这种清洁能源，彻底解决了大气污染问题。与直接把电能转换为热能的电锅炉相比，采用热泵空调系统供热的电耗仅为前者的1/3―1/4，可以大大节省运行费用。

1.2.热泵的主要优点

采用热泵为建筑物供热可以大大降低一次能源的消耗。通常，我们通过直接燃烧矿物燃料（煤、石油、天然气）产生热量，并通过若干个传热环节最终为建筑供热。在锅炉和供热管线没有热损失的理想情况下，由于传热温差，一次能源利用率（即为建筑物供热的热量与燃料发热量之比）不可能超过100％。如果先利用燃烧燃料产生的高温热能发电，然后利用电能驱动热泵从周围环境中（土壤、地下水、空气）吸收低品位的热能，适当提高温度再向建筑供热，就可以充分利用燃料中的高品位能量转化成的电能，大大降低用于供热的一次能源消耗。地源热泵的性能系数（即COP值）通常大于4，即地源热泵每输入lkW的电能，能输出4kW的冷热能量，扣除过程损耗因素，性能系数仍然在3.5以上，从而高效利用了土壤或地下水这种可再生的清洁能源。而直接燃煤制热系数为0.7，直接用电供暖制热系数为1.0。从夏季制冷上来说，其性能系数比普通家用空调效率高一倍以上，比大型中央空调高20％以上，运行费用每年每平方米仅为25―33元，比常规中央空调系统低40％左右。地源热泵中央空调系统没有冷却塔，不向空中排放热量，不消耗冷却水，因此没有热岛效应，避免了冷却塔的噪声。地源热泵中央空调系统无锅炉等燃烧设备，不可能产生二氧化碳、一氧化碳之类的废气，也不存在丙烷气体，因而不会有发生爆炸的危险，使用安全。由于土壤深处温度非常恒定，主机吸热或放热不受外界气候影响，运行工况非常稳定，不存在空气源热泵供热不足，甚至不能制热的问题。整个系统的维修量维护费用也较锅炉―制冷机系统大大减少，正常情况下自动运行，不需要有人值班。地源热泵系统不消耗水资源，省去了锅炉房、煤场、储油房、冷却塔等设施，节省了建筑空间，不产生任何废水、废气、废渣，不对环境产生任何污染，因此节省了建筑空间。由此可见具有高效节能环保安全的优点。

2、地源热泵空调系统设计

1.地源热泵系统分类。地源热泵系统按其循环形式可分为：开式循环系统、闭式循环系统、混合循环系统。（1）开式循环系统。开式循环系统是其管道中的水来自湖泊、河流或者竖井之中的水源，在以与闭式循环相同的方式与建筑物交换热量之后，水流回到原来的地方或者排放到其它的合适地点。（2）闭式循环系统。封闭循环系统是指冷（热）源侧的循环水在机组室外换热器与地源换热器间形成封闭循环。管道可以通过垂直井埋入地下150～200英尺深或水平埋入地下4～6英尺处，也可以置池塘的底部。在冬天，管中的流体从地下抽取热量，带入建筑物中，在夏天则是将建筑物内的热能通过管道送入地下储存；所用管道为高密度聚乙烯管或其他防腐管道作为输送和地源热交换器材料。闭式循环系统是一种比较稳定可靠的常规循环系统，对地下水、地下环境没有污染，一般设计应优先考虑该循环系统。（3）混合循环系统。混合循环系统的地下换热器一般按热负荷来计算，夏天所需的额外的冷负荷由常规的冷却塔来提供。对于地下设计热交换空间不够充分，或垂直埋管困难等地下特殊情况，可考虑设计混合循环系统。

3、地源热泵地下换热器形式与布设

（1）竖直埋管材料和深度。埋管材料最好采用塑料管，因与金属管相比，塑料管具有耐腐蚀、易加工、传热性能可满足换热要求、价格便宜等优点，可供选用的管材有高密度聚乙烯管（PE管）、铝塑管等。竖直埋管的管径也可有不同选择，如DN20、DN25、DN32、DN50等。竖直埋管可须根据当地地质条件而定，可以从20m～200m。确定深度应综合考虑占地面积、钻孔设备、钻孔成本和工程规模。如果地表土壤层很厚，钻孔费用相对便宜，宜采用较深的竖直埋管，反之，采用浅埋。埋管间距一般以5～6m及以上，要综合考虑当地的地质及土壤的传热情况。

（2）竖直埋管换热器回填、灵敏度。竖直埋管换热器的形成是从地面向下钻孔达到预计深度，将制作好的U型管下入孔中，然后在孔中回填不同材料。在接近地表层处用水平集水管、分水管将所有U型管并联构成地下换热器。根据地质结构不同，回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好，但造价高、施工难度大，但可结合建筑物桩基一起施工。

（3）竖直埋管换热器中传热的衰减。竖直埋管换热器中流动的循环水的温度是不断变化的。夏季供冷工况进行时，由于蓄热地温提高，机组运行时水温不断上升，停机时水温又有所下降，当建筑物得热达到最大时水温升至最高点。冬季供热工况运行时则相反，由于取热地温下降，当建筑物失热最多时，换热器中水温达到最低点。对于签埋管尤其严重。设计时，首先应设定换热器埋管中循环水最高温度和最低温度。由于埋管换热器的表面结垢等影响，设计时要考虑衰减，设定值应通过经济比较选择最佳状态点。

结束语

地源热泵作为一种环保节能的空调方式，应该得到研究工作者对其进行更为深入的研究，探索其关键性技术。目前在国内地源热泵机组的设计、安装、运行、维护等各个方面还没有成型的行业标准和规范，其推广应用还有待时日。作为一门新技术，它为我国的可持续发展带来了契机，在不远的将来，随着国富民强，经济实力的提高和生活水平的进步，研究和技术人员的努力，它在中国一定有广阔的市场前景。

参考文献

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[2]罗迎宾，梁路军，季柳金.地源热泵在建筑节能领域的应用[J].建筑节能，2008（09）：54.

[3]黄伟祥，何连海.地源热泵技术在建筑节能设计中的运用[J].建筑施工，2008（07）：34-35.