空调热泵的分类及技术分析

以建筑物的空调（包括供热和制冷）为目的的热泵系统有许多种，例如有利用建筑通风系统的热量（冷量）的热回收型热泵和应用于大型建筑内部不同分区之间的水环热泵系统等。本文主要讨论利用周围环境作为空调冷热源的热泵系统。就其性质来分，国外的文献通常把它们分为空气源热泵 (air source heat pump, ASHP) 和地源热泵（ground source heat pump, GSHP）两大类。地源热泵又可进一步分为地表水热泵 (surface-water heat pump，SWHP)、地下水热泵 (groundwater heat pump, GWHP) 和地下耦合热泵 (ground-coupled heat pump, GCHP)。我国对热泵系统的术语尚未形成规范的用法。例如对地下水热泵系统有“地温空调”的商业名；而地下耦合热泵则在一些文献中称为“土壤源热泵”，或直接称为“地源热泵”。

2.1 空气源热泵
　　空气源热泵以室外空气为一个热源。在供热工况下将室外空气作为低温热源，从室外空气中吸收热量，经热泵提高温度送入室内供暖；其性能系数（COP）一般在2～3。空气源热泵系统简单，初投资较低。空气源（风冷）热泵目前的产品主要是家用热泵空调器、商用单元式热泵空调机组和风冷热泵冷热水机组。
　　空气源热泵的主要缺点是在夏季高温和冬季寒冷天气时热泵的效率大大降低。此外，其所必需的室外机或冷却塔对建筑物有一定的影响或损坏作用。空气源热泵的制热量随室外空气温度降低而减少，这与建筑热负荷需求趋势正好相反。因此当室外空气温度低于热泵工作的平衡点温度时，需要用电或其他辅助热源对空气进行加热。而且，在供热工况下空气源热泵的蒸发器上会结霜，需要定期除霜，这也消耗大量的能量。在寒冷地区和高湿度地区热泵蒸发器的结霜可成为较大的技术障碍。在夏季高温天气，由于其制冷量随室外空气温度升高而降低，同样可能导致系统不能正常工作。空气源热泵不适用于寒冷地区，在冬季气候较温和的地区，如我国长江中下游地区，已得到相当广泛的应用。

2.2 地源热泵
　　另一种热泵利用大地（土壤、地层、地下水）作为热源，可以称之为“地源热泵”。由于较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度，因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，且效率大大提高。此外，冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。这样在地源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。
2.2.1 地下水热泵
　　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。经过换热的地下水可以排入地表水系统，但对于较大的应用项目通常要求通过回灌井把地下水回灌到原来的地下水层。水质良好的地下水可直接进入热泵换热，这样的系统称为开式环路。实际工程中更多采用闭式环路的热泵循环水系统，即采用板式换热器把地下水和通过热泵的循环水分隔开，以防止地下水中的泥沙和腐蚀性杂质对热泵的影响。由于地下水温常年基本恒定，夏季比室外空气温度低，冬季比室外空气温度高，且具有较大的热容量，因此地下水热泵系统的效率比空气源热泵高，COP值一般在3~4.5，并且不存在结霜等问题。最近几年地下水源热泵系统在我国得到了迅速发展。
　　地下水热泵系统的应用也受到许多条件的限制。首先，这种系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。按常规计算，10,000 m2的空调面积需要的地下水量约为120 m3/hr。地下水热泵系统的经济性还与地下水层的深度有很大的关系。如果地下水位较低，不仅成井的费用增加，运行中水泵的耗电将大大降低系统的效率。此外，虽然理论上抽取的地下水将回灌到地下水层，但目前国内地下水回灌技术还不成熟，在很多地质条件下回灌的速度大大低于抽水的速度，从地下抽出来的水经过换热器后很难再被全部回灌到含水层内，造成地下水资源的流失。再者，即使能够把抽取的地下水全部回灌，怎样保证地下水层不受污染也是一个棘手的课题。
2.2.2 地表水热泵
　　地表水热泵系统的一个热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大体量自然水体的地方利用这些自然水体作为热泵的低温热源是值得考虑的一种空调热泵的型式。热泵与地表水的换热可采用开式循环或闭路循环的形式。开式循环是用水泵抽取地表水在换热器中与热泵的循环液换热后再排入水体。其缺点是水质较差时在换热器中产生污垢，影响传热，甚至影响系统的正常运行。更常用的地表水热泵系统采用闭路循环，即把多组塑料盘管沉入水体中，热泵的循环液通过盘管与水体换热，可以避免水质不良引起的污垢和腐蚀问题。当然，这种地表水热泵系统也受到自然条件的限制。此外，由于地表水温度受气候的影响较大，与空气源热泵类似，当环境温度越低时热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也会降低。一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因数有关，需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热对水体中生态环境的影响有时也需要预先加以考虑。深水湖在夏季会产生温度的分层，湖底保持较低的温度；冬季湖面结冰后会限制湖水温度的下降。
2.2.3 地下耦合热泵
　　地下耦合热泵系统是利用地下岩土中热量的闭路循环的地源热泵系统。通常称之为“闭路地源热泵”，以区别于地下水热泵系统，或直接称为“地源热泵”。它通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。地下耦合热泵系统在结构上的特点是有一个由地下埋管组成的地热换热器 (geothermal heat exchanger, 或ground heat exchanger)。地热换热器的设置形式主要有水平埋管和竖直埋管两种。水平埋管形式是在地面开1~2米深的沟，每个沟中埋设2、4或6根塑料管。竖直埋管的形式是在地层中钻直径为0.1~0.15 m的钻孔，在钻孔中设置1组（2根）或2组（4根）U型管并用灌井材料填实。钻孔的深度通常为40~200 m。现场可用的地表面积是选择地热换热器形式的决定性因素。竖直埋管的地热换热器可以比水平埋管节省很多土地面积，因此更适合中国地少人多的国情。地热换热器所需埋管的总长度需要根据埋管的形式、地下岩土的热物性、地下的温度和冷热负荷的情况作详细的计算才能确定。设置地热换热器的主要费用是钻孔的费用。因此正确设计地热换热器埋管的长度对于保证系统的性能和经济性十分重要。由于影响因素很多，数学模型复杂，国内外已开发了一些地热换热器设计计算软件，可以避免盲目估算带来的失误。其中地下岩土的热物性对传热能力的影响很大，建议采用现场实测的方法确定地下岩土的热物性。我国的研究人员和工程技术人员近年来在消化吸收国外先进技术的基础上在地热换热器的设计理论方面进行了不懈的努力，山东建筑工程学院已于2001年建成闭路地源热泵示范工程并投入实际使用，为在我国推广应用这一新技术积累了宝贵的经验。