地源热泵系统环保节能特性探讨

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摘要：介绍了地源热泵系统的原理，阐述了其环保节能的特点，并对设计中可能出现的问题简要的分析并提出了相应的解决措施。通过对热泵的主要形式、技术特征、适用范围的介绍，特别是在埋管方式和深度等方面，进一步对系统进行了探讨和分析。地源热泵是一种高效、节能、环保的空调方式。

关键词：地源热泵；空调系统工作原理；环保节能；热平衡

地源热泵系统指的是一种能够利用地壳表层地热资源的（即通常深度小于400m），既能供热又能制冷的空调系统，是节能又环保的设备。可利用的地热资源有以下三种，包括土壤、地表水、地下水。《暖通空调术语标准》[1]（GB50155-92）第6.4.43条：热泵，是能实现蒸发器与冷凝器功能转换的制冷机。因此，从某种意义上来说，热泵在实质上就是制冷机。

1地源热泵系统的工作原理

地源热泵系统主要由以下几部分组成；地源热泵机组，循环泵，地下埋管，风机盘管末端设备，供回水管路，温控阀等阀门配件组成。内陆地区的实际应用中，经常采用的是一土壤作为地能资源的地源热泵系统，因此我们以土壤作为地能资源形式进行地源热泵系统的工作原理介绍。通常，水从高处流向低处，热量从高温流向低温，而水泵却可以实现逆向，达到将水从低处输送到高处的目的，同理，热泵就是实现了热量的逆向。地源热泵系统通过输入少量的高品位能源（如电能），冬季实现大地低温位热能的提高，给建筑物供热，并利用大地进行蓄存冷量并为夏季备用；夏季将建筑内的热量释放给大地并进行蓄存，实现建筑的降温，同时为冬季储备使用，工作原理见图1。实质上，地源热泵是利用大地实现动态能量的平衡系统，因为它充分挖掘了大地的蓄能作用。地源热泵系统根据运行模式可以分为开式循环和闭式循环2种，我们以常见的闭式循环系统进行介绍。若根据埋管方式不同，还可以分为水平埋管、垂直埋管两种形式，分别见图2、图3。水平埋管：施工技术相对垂直埋管来说简单，但是埋管所占用的场地较大，容易受到外界气候的影响，冬夏两季联用的效果不尽人意，比较适合单季使用。垂直埋管：就是在地壳中垂直钻孔，前期钻孔费用高，但是后期维修费用低，占地面积小，换热能力较强，基本不受外界的影响，适合冬夏冷暖联供系统，也是近些年主要采用的系统形式。

2地源热泵系统的特点

地源热泵系统供热时不需要燃烧矿物燃料，无污染，制冷时，不需要设置冷却塔，避免噪音，不滋生霉菌。按文献[2]，燃烧矿物燃料可产生1500℃~1800℃的高品位热能，但是一般来说，建筑只需要20℃~25℃低品位热能，因此直接燃烧矿物燃料就会造成大量的热能损失；如果地源热泵取用温度15℃，室内环境温度为25℃，理论上逆卡诺循环工作的热泵的性能系数COP达到29，根据一次能源利用率，COP也依然能达到25左右，因此采用热泵技术可大大降低供热燃料的消耗，还能减少燃烧矿物燃料引起的CO2和SO2等污染物的排放。地源热泵系统可靠耐用，室外地埋管寿命可达到50年，热泵机组寿命为15~25年，热泵主机系统安装于室内时，不会日晒雨淋，寿命远远长于传统空调。下面以VRV空调系统为例与地源热泵空调系统进行比较。

3设计应注意的问题

3.1冬夏季吸收放出热平衡的问题

《地源热泵系统工程技术规范》[3]（GB50366-2005，2009年版）第4.3.8条：竖直地埋管换热器埋管深度宜大于20m；这样做的目的：一方面是为了避免换热短路，另一方面，可以有效地减少浅层地表温度对地源热泵机组的影响。水平埋管的方式，由于水平管埋得较浅，可以与地表充分地进行热交换，不容易出现地下土壤的热平衡问题。垂直埋管的通常做法是：在地层中钻取直径为100~150mm的钻孔，钻孔中应设置U型管并用填注材料进行填实，埋深一般取30~100m，以此来保证此时与地面及周边土壤的热交换量较小，但是在进行设计并计算后，如果平衡差较大，需要采用混合式地源热泵系统的方式，即在原有的系统基础上增加太阳能辅助加热或冷却塔冷却，以此来弥补缺失的热量或冷量，保证系统的正常运行，否则的话，将出现地下土壤温度失衡的问题，热泵机组工作能效较低，甚至可能出现无法运行的严重后果。

3.2管径最小流速

南方地区地温普遍较高，一般直接采用水作为工作流体，水是最容易获得的循环流体，并且具有低密度和高传热导数，流动性能也好的特点。北方地区的冬季地温偏低，都会用到防冻液。而地源热泵系统中有很多材料可能会和防冻液接触，如：钢、黄铜、铝等材料。防冻液应采用安全无毒、导热性能良好的液体，常见的有：氯化钙水溶液，乙二醇水溶液，丙三醇水溶液。防冻液对地源热泵材料有一定的腐蚀作用，因此还要加入一定量的缓蚀剂，缓蚀剂是在与水接触的金属表面形成将金属和水隔离的保护膜，来达到缓蚀目的。

3.3水力平衡问题

换热量的大小决定地埋管的总长度，水力平衡与各环路长度有关。地埋管系统是水系统的范畴，连管方式可分为异程式，同程式，垂直埋管的异程式、同程式示意图分别见图4、图5。异程式布置可以根据现场实际情况进行布置，而不用考虑回路长度，但是各个环路之间容易出现水力失调的问题，需要安装调节阀进行平衡，后续管理工作量大。同程式布置时环路都是平衡的，运行平稳，因此对并联的各支路应尽可能的采用同程设计，否则，较短的环路反而承担较多的热或冷负荷，地下土壤的温升或温降更大，导致热泵机组的工作能效降低。

3.4管材选择问题

对于地源热泵系统来说，一旦将换热器埋入地下后，就应该尽可能的避免维修或更换，所以，地埋管要保证化学性质稳定，有较好的耐压能力，流动阻力小，导热系数大等特点。土壤源热泵系统中优先推荐采用PE管材，特别是在耐低温方面表现出的优异性能，非常适合北方地区使用。其他塑料管材可以选用聚乙烯、聚丙烯塑料管道，铝塑复合管等管材。塑料管属于“柔性管”，地埋管要与周围的土壤承受同样的荷载，并能有效的抵抗地下运动，塑料管的连接方式多为热熔连接，在抗内压能力方面稳定性好，能承受一定范围内的轴向拉伸应力和扭曲变形，但管道受温度变化影响较大，容易在管道应力集中处就会出现破裂等现象。设计时，应考虑每隔一段距离设置固定支墩，便于分解管道所产生的应力。

4结论

供热和空调作为老百姓的日常需求和追求的生活品质，地源热泵系统已经逐布向农村发展。采用地源热泵系统可以提高一次能源利用率，可以实现供热制冷，还可以提供生活热水满足日常需要，特别是在没有集中供热的区域，可以广泛应用。在北方地区采用冬夏联用的地源热泵，设计时要注意吸收放出热平衡，水力平衡的问题。地源热泵系统具有的高效、节能、环保的特点，符合国家发展低碳经济的战略。

作者:王中海 单位:兖矿集团邹城华建设计研究院

参考文献：

[1]GB50155-92.采暖通风与空气调节术语标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2]刁乃仁，方肇洪.地源热泵--建筑节能新技术[J].建筑热能通风空调.2004，23（3）：18-23.

[3]GB50366-2005（2009年版）.地源热泵系统工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[4]蔡增基，龙天渝，等编著，流体力学泵与风机（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.