1、地源热泵技术在暖通工程中的应用摘要：地源热泵系统的能量来源于地下能源，通过发挥浅层岩体的储冷储热作用，实现对建筑物的供暖和制冷，被认为是目前可使用的对环境最友好、最有效的供热、供冷系统。本文介绍了各种地源热泵在暖通空调中的应用情况，指出地源热泵是节能环保型暖通空调技术，发展前景广阔。 关键词：地源热泵；暖通空调；节能应用 中图分类号：TU96+2 文献标识码：A 文章编号： 引言 当前，充分利用浅层地能已成为建筑工程中暖通空调节能的重要方向，作为进行转换取暖或制冷的新型清洁能源，地源热泵技术正在广泛应用于我国暖通空调领域，它基本不受地域和气候的影响，较传统能源更为经济节能、清洁高效。因此，广泛
2、推广使用地源热泵正在成为我国未来供暖与制冷替代能源的首选。 1、地源热泵技术（GSHP）的原理 地源热泵是以地热作为热泵装置的热源或热汇来对建筑进行采暖或制冷的技术。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能） ，即可实现低温热源向高温热源的热量转移。在冬季和夏季，分别将地热能作为高温热源和低温热源，在冬季将地热“取”出来用于采暖或热水供应，在夏季将室内的热量提取后释放到地层中去。 2、地源热泵技术（GSHP）的分类及应用 地源热泵可以直接提供生产生活热水和用于采暖，也可以与电节能热泵和直接加热设备锅炉等联合使用，对减少一次能源用量、环保和缓解用电峰谷差等都有好处。根据地源热泵所采用热源热汇的形
3、式不同，可将其大致分为大地耦合式热泵（GCHP） 、地下水热泵（GWHP）和地表水热泵（SWHP） 。 2.1 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
4、壤的热量不需要风机，可以使系统的噪声等级下降。 （4）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。 （5）在地下埋设管道成本较高，运行中若产生故障也不易检修。 （6）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） 。 2.1.1 直接式和间接式大地耦合热泵 大地耦合热泵根据其蒸发器端与大地换热形式的不同，分为通过热泵工质水换热器的间接式系统（图 1） ，及采用热泵工质在埋于地下的盘管中直接膨胀的直接式系统（图 2） 。 在间接式系统中，载冷剂或盐水溶液被用来在热源和蒸发器间传递热量，它与直接蒸发系统相比具有一定优点：减少了制冷剂
5、冲灌量，还增加了热泵系统的灵活性，同时可使现场工程量降到最低并减免了制冷管路的安装；但其缺点在于：引入带有热交换器的额外流体环路，增加了初投资，也带来额外温降。需要针对运行工况优化设计盐水回路，此外用于载冷剂的流体性质也很重要。 在直接蒸发系统中，将蒸发器盘管直接埋入地下，可有效减少投资，尤其适合家庭热泵系统，它的一种典型安装方法是：使用一根或两根并行的 3/4铜管，每根长 90m，分为作为名义上两缸或三缸压缩机的地下盘管，这样从地下抽热比通常使用的间接式系统高。 2.1.2 水平式和垂直式大地耦合热泵 水平热交换管的地下盘管由聚乙烯硬塑料管制成，并水平地敷设于土壤中。在这项技术中，管子的敷设
6、深度和塑料管侧间距是两个重要参数。吸热地面应靠近待采暖的建筑物，土壤面积主要取决于土质、含水量和该处的太阳照射时间。塑料管间距越小则热利用效率越高，但热交换管量增大、费用上升，因此应做技术经济性考虑。土壤中铺设的管群最好分几组，单根管长最好不超过 100m，否则消耗的泵功率将过大。热泵工质一般采用盐水溶液，即使在 15左右也不会冻结，低温的盐水溶液由土壤吸收热量，然后传给热泵装置的蒸发器，再通过热泵过程，由冷凝器供给热分配系统。 垂直热交换管就是其导管垂直安装在土壤中。导管由内外两根管子组成。外管的下端封闭，内管敞开，直径较小。在径向间距相同的情况下插在外管中。导管深度可达 100m，并随地质
7、、水文条件而变化。导管的材料除金属外，也可采用聚乙烯塑料管。当借助垂直导管吸取热量时，将载热剂经内管由上送至下，然后经内管和外管间的空间，再流回上方。在载热剂向上流动的过程中就吸取了仅靠导管四周的土壤热量。 总之，大地耦合热泵的热交换效果与砂土类型、含湿量、成分、密度和是否均匀紧贴换热面有关。管材、沙土及地下水的腐蚀作用将影响传热和使用寿命。 2.2 地下水热泵 地下水热泵是地源热泵的一个分支，也是迄今为止使用得最广泛的一种地源热泵技术。这种热泵是以地下深井水作为热源或热汇来对建筑进行供热或制冷的。由于地下深井水位于较深的地层中，因隔热和蓄热作用，其水温随季节气温的变化较小，特别是深井水的水温
8、常年不变，对热泵运行非常有利，具有以下优点： （1）整个水井系统占地面积小，布局紧凑，但却可以抽取及回灌大量的地下水。 （2）对大地耦合热泵言，其地式热交换器单位容量的造价基本上是个定数，而对大型地下水热泵系统，其整个井水系统单位容量的价钱却便宜得多，只需要一对较高流量的井即可满足整幢建筑物的需求。 （3）与传统的空气水中央 HVAC 系统相比，设计良好的地下水热泵循环几乎无需维护费，且当地下水回灌到蓄水层后，实际地层中的含水量并不改变，不会造成地面沉降。 （4）地下水热泵在大型商业系统中使用已有数十年了，技术成熟，钻井施工相对容易。 地下水热泵这项技术也存在不足之处： （1）当采用含水层畜存
9、的水作为空调冷源或热源时，其水温要受到一定限制。 （2）若钻井施工不佳或水质较差，则地下水可能会受到一定污染，而且回灌井的选址也应考虑水文地质条件。 （3）若热泵装置系统设计不当或取水位置较深，那么泵的消耗费用将上升。 因此，在决定某地区是否采用地下水作为热泵的冷热源之前，首先应进行严密的现场泵水试验，看是否具备足够的地下水水量；其次还需了解该处的地下水质情况，以获得较准确详尽的规划方案。 2.3 地表水热泵 它是利用地表的小溪、池塘、河流、湖泊等水作为热源和热汇对建筑进行空调的热泵技术。地表水热泵在实现用水作热源时，可采用下列方法。 （1）将蒸发器直接安装于地表水中 如图 3，这是一种分体式
10、装置，由于地表水较脏，通常用板式热交换器作为蒸发器。这种方法装置简单，价格低廉，但缺点是：当地表水位发生变化时蒸发器板难于固定，蒸发器表面也需经常清理。此外，若蒸发器泄漏部位有制冷剂流出，则会损坏热泵。 （2）用泵站抽取地表水并输送至热泵的蒸发器 这种系统适用于对露天游泳池的水进行加热，也适用于大型建筑物、特别是该建筑物采用空调时。该系统使用可清洗的管式热交换器作为蒸发器，首先要将地表水经细密格栅引入泵站，降温后的地表水需重新排回地表水源。严冬季节时，此系统需采用双联热泵采暖装置。 （3）用井积聚经河岸过滤的水并将其输送至热泵蒸发器 这种系统的优点是经河岸过滤的水能防止污物进入蒸发器，但费用较
11、高。 结语 开源节流，尤其是开发各种可再生新能源将是我国经济可持续发展的关键。我国地域宽广，蕴藏着丰富的地表浅层地能资源，因地制宜地采取不同形式的地源热泵技术可以有效地提高低温地热资源，同时克服传统暖通空调技术的局限和不足，是非常有意和具有实际价值的。随着相关技术的不断向前发展，成本更低设备，特别是效率更高的介质的出现，地源热泵技术的应用必然会迎来更快的发展。这项技术也应尽快联合地质、水文、生态环境等多种相关学科进入更深、更泛的研究。在节约能源、防治环境污染和城市现代化方面作出更大的贡献。 注：大地耦合式热泵（GCHP）- ground-coupled heat pump 地下水热泵（GWHP）-Ground-Water heat pump 地表水热泵（SWHP）-surface water heat pump 参考文献 1徐金泉，加强建筑节能标准化，为建筑节能工作服务，建筑节能，Vol36，P12。
