浅述地源热泵技术在中央空调系统中的节能应用

摘　要：通过某小区地源热泵中央空调施工的实践，从地源热泵原理、地源热泵中央空调系统分类、组成、优点及发展前景等几个方面浅述地源热泵技术在中央空调系统中的节能应用
关键词：热泵；地源热泵（GSHP；）中央空调；节能应用
1、概述　　
　　随着经济的发展和人们生活水平的提高，公共建筑和住宅的冬季供暖和夏季空调已经成为普遍的要求。传统的空调系统通常分别设置冷源（制冷机）和热源（锅炉），不仅能源利用率低、运行费用高，而且还会给大气造成严重的污染。室外环境污染和自然资源枯竭的问题已经成为全社会关注的焦点，人们逐渐认识到建筑节能的重要性。 热泵技术就成为一种在技术上和经济上都具有较大优势的解决供热和空调的替代方式。热泵作为环保节能的空调系统，仅利用了空气、土壤、地下水和地表水（江、河、湖、海）等作为冷热源同时 ，避免了燃料产生的污染，尤其在冬冷夏热地区，使用一套热泵系统，即可完成建筑物夏季空调、冬季供暖和全年供卫生热水三项工作，具有良好的综合能效比。因此地源热泵技术被称为二十一世纪的“绿色空调技术”， 地源热泵中央空调系统也成为目前中央空调设计方案中的最佳选择。目前，国家大力提倡和鼓励可再生可持续新能源的应用，制定了一系列相关的政策法规，如：建设部《民用建筑节能管理规定》、国家经贸委《2000-2015年新能源和可再生能源产业发展规划要点》等。使得我国地热产业在借鉴国外技术的基础上得到了蓬勃发展。

　　2、地源热泵原理
　　热泵是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备。地源热泵是热泵的一种，是通过利用浅层常温土壤中的能量作为能源的高效节能、无污染、低运行成本、既可采暖又可制冷、并可提供卫生热水的新型空调技术。地源热泵利用地下土壤常年温度相对稳定的特性，通过冬季吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供热；夏季向大地释放热量，给建筑物供冷。

　　3、地源热泵起源及发展
　　“地源热泵”的概念，最早于1912年由瑞士的专家提出，而该技术的最早应用则由英、美两国提出。20 世纪70 年代，石油危机把人们的注意力集中到高效、节能的能源利用上面来，地源热泵应用技术因此受到人们越来越多的关注。同时，新材料的发明也使地下埋管的材料从传统的金属管发展到具有抗腐蚀性能好、抗冲击强度高、耐强震、耐扭曲的聚乙烯材质等。地源热泵以充分利用可再生能源、无污染、节约高品位能源的特点，逐步受到人们的广泛应用。1995 年，在国际地热学术会议上，英国学者Curtis 代表国际地热组织发表了关于应用地下封闭循环体系的地源热泵系统的调查报告，其结论为：封闭循环的地源热泵（CLGSHP，CL-封闭式）系统是世界能源市场的成熟技术之一，它与现实存在的用电供热/制冷技术相比，具有稳定性好，可靠性高，且花费更少的优势。

　　4、地源热泵中央空调系统的分类及组成
　　根据冷热源介质分三类：地表水地源热泵、地下水地源热泵、土壤源地源热泵，其中前两类有些书中称之为水源热泵。
　　地表水源热泵可分为开放式系统与封闭式系统两种形式，相对于地下水的水温为恒定状态，机组运行较为稳定；地表水的水温由于容易受到水的深度以及环境温度等因素影响，因此热泵机组的运行不稳定。另外，由于地表水的地源热泵换热器可能布置在公共水域中，容易遭到破坏，增大维护成本。
　　地下水地源热泵也可分为开放式系统与封闭式系统两种。开放式地下水热源泵系统，主要抽出地下水，并供给到室外侧的冷凝器，吸收热量后回灌到地下；开放式系统的换热效果良好，但是应该注意管路与热泵系统容易受到地下水的腐蚀或堵塞；封闭式地下水热源热泵系统，利用板式换热器将热泵设备与地下水分离，以此规避了开放式系统的腐蚀及堵塞问题，但是由于板式换热器需要实行二次换热，因此换热效果并不理想。
　　土壤源地源热泵根据不同的埋管方式，可将土壤热交换器划分为垂直埋管、水平埋管以及螺旋埋管三种类型。一般情况下，水平埋管的深度为１．２－３．２ｍ，多为多层串或者单层串，这种施工方式较为便捷、造价低廉，但是换热效果不佳，极易受到地面温度的影响，运行稳定性较差；垂直埋管的深度约为１０－１００ｍ，可采取套管或者Ｕ型垂直埋管方式。这种埋管方式的占地面积较小，全年土壤温度稳定，因此系统运行较为稳定。但是初期的投资费用较大，如需打井、钻孔等费用。螺旋埋管集合水平埋管与垂直埋管的优势，节约占地面积与安装费用，但是系统的结构较为复杂，给管道施工带来一定难度，同时增大系统的运行阻力。
　　主要组成有三个部分：室外地能收集系统、地能输送（热泵机组和水泵）系统、末端（室内采暖空调）应用系统。
　　室外地能收集系统
　　大地土壤中蕴藏着丰富的低温热能，虽然与深层的高品位能量相比，浅层土壤热能品位要低，但是收集利用价值很大。因为浅层地下土壤可吸收大约太阳照射在地球上的能量的47%，同时它和地心热综合作用形成一个相对的恒温层，这个恒温层大约在地面以下30m～400m 之间，它的温度接近全年的地表平均温度。这个恒温层储存了取之不尽用之不竭的低温可再生能源，通过冷凝器（蒸发器）与土壤换热收集到所需要的冷热源。其换热效果的好坏在于介质液体的粘滞力和流动速度影响；溶液的热量通过导热传递到管壁时，热量从内管壁传到外管壁，热传递的效果受管材的导热系数影响；外管壁对土壤的热传递效果取决于回填料和土壤的特性。
　　地能输送系统
　　地能输送系统是将收集来的能量经提升交换，传送至空调空间，以实现能量的释放。本系统主要的设备就是地源热泵机组和循环水泵。地源热泵机组在不同蒸发温度下工作，压缩机的轴功率和制冷量也随着改变。如果建筑物内的冷、热负荷恒定，那么，系统在制冷状态时，蒸发器温度不变、压缩机吸气压力不变，若冷凝器的进出水温差小，此时机组冷凝器水温逐渐升高，促使冷凝温度升高，而单位制冷量和输出系数都要下降，则制冷量减小、轴功率增大。同理，系统在制热状态时，冷凝温度不变、压缩机排气压力不变，若蒸发器进出口水温差小，此时机组蒸发器的水温逐渐下降，意味着蒸发温度降低，压缩机吸气压力减小，结果是单位容积制冷量下降，压缩比、冷凝压力和蒸发压力之比增大，压缩机轴功率上 升。在地源热泵空调系统中，制冷运行时，冷凝压力主要取决于冷凝器水的流量和水温，水量增加，水温降低，排气压力下降，反之就上升；制热运行时，蒸发温度与进液温度之差和蒸发器大小有直接关系，温差小时，蒸发压力就会低，蒸发器就得增大。通过以上分析得出，地源热泵中央空调系统的能效比COP，主要取决于热泵机组的自动调节能力和换热器的换热能力。
　　末端应用系统
　　末端应用系统就是地源热泵中央空调系统在建筑物内的空气调节部分（包括风机盘管、地板辐射管网等），空气调节部分是地源热泵中央空调系统的末端设备，地源热泵的空气调节部分与常规的中央空调系统是相同的，目前已被人们熟知和应用。它对温度、湿度、清洁度进行调节，使其控制在合适的范围内，以提高室内的空气质量，增强人的舒适度。
　　5、地源热泵的主要特点：
　　可再生
　　地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源进行能量转换的供暖空调系统。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能成为清洁的可再生能源的一种形式。
　　高效节能
　　地能或地表浅层的热资源温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高20～40%，比其他常规供暖技术可节能50～60%。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、更稳定，也保证了系统的高效性和经济性。
　　舒适环保无污染
　　因为地源热泵机组供冷暖时都是通过冷热水经风机盘管（或地板管、墙埋管）交换完成的，所产生的冷气和暖气（或辐射热）比常规空调的要更柔和的多，人体感觉更舒适；地源热泵中的传热介质是在一个完全封闭的循环管道内流动，没有任何污染物排放，噪声低，不影响人们的正常生活和工作；不用锅炉及冷却塔，工程系统的安装不影响原建筑物的外观美。
　　功能多，应用范围广
　　地源热泵系统可用于供暖、空调，同时还可用于供卫生热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调两套装置或系统。此系统即可应用于住宅小区、商场、办公楼、学校等建筑，也适合于小型的别墅及新农村。此外，热泵机组长期在良好的地下低温水进行热交换工作，可大大延长机组寿命，系统地下部分采用耐腐蚀的材料，使用寿命长；维护费用低；且随着自动控制技术的提高，可实现无人值守。
　　6、未来发展前景
　　地热能作为一项可再生清洁能源，在世界范围内受到欢迎。同样，作为重要的建筑节能技术，地源热泵技术受到了我国政府的大力支持，目前，我国已经将地热能纳入“十二五”能源规划，大力鼓励和支持地源热泵技术的研究利用。预计“十二五”期间，地热资源开发利用将得到更快发展。

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