谈地源热泵技术与水和土壤资源的利用

邢玉学，王兰锋

（中城建北方建筑勘察设计研究院，内蒙古赤峰024000）

谈地源热泵技术与水和土壤资源的利用

邢玉学，王兰锋

（中城建北方建筑勘察设计研究院，内蒙古赤峰024000）

介绍了地源热泵中央空调系统的特点，工作原理和分类；对地源热泵中央空调系统进行了经济技术分析.关键词：地源热泵；空调系统；经济性

随着建筑业持续不断的发展，对建筑节能的要求越来越高，而供热系统和空调系统是建筑能耗的主要组成部分，因此，设法减小这两部分能耗意义非常显著.地源热泵供热空调系统是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的系统.地源热泵供热空调系统，冬季通过吸收大地的能量，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.地源热泵系统包括三种不同的系统：一是以利用土壤作为冷热源的土壤源热泵，也有资料文献成为地下耦合热泵系统或者叫地下热交换器热泵系统；二是以利用地下水为冷热源的地下水热泵系统；三是以利用地表水为冷热源的地表水热泵系统.这样的分类在国内的暖通空调界已经成为共识.

1 地源热泵简介

地源热泵是一种先进的技术，它高效、节能、环保，有利于可持续发展.地源热泵中央空调系统是一种利用地下浅层冷热资源（如地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统.地源热泵中央空调系统通过输入少量的高品味能源（电能），实现低温位热能向高温位转移.与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70-90%的燃料内能转化为热量，供用户使用.因此地源热泵中央空调系统要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于地源热泵中央空调系统的冷热温度全年较为稳定，一般为8-14℃，其制冷制热系数可超过3.5-6.3，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50-60%.因此，近几年来，地源热泵中央空调系统在发达国家取得了较快的发展，我国的地源热泵中央空调系统市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为今后最有效和最有发展前景的冷暖空调技术之一.

2 地源热泵中央空调系统的特点

2.1 属可再生能源利用技术

地源热泵中央空调系统是利用了地球表面浅层的资源（通常小于400米）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统.地表浅层资源可以称为地源（EarthEnergy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能.地表浅层是一个巨大的太阳热能集热器，收集了47%的太阳能，比人类每年利用能量的500倍还多.它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在.这种存储于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地源也称为清洁的可再生能源一种形式.

2.2 属经济有效的节能技术

地源或地表浅层地热资源的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中央空调系统比传统空调运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右.另外，地源温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性.

2.3 环境效益显著

地源热泵中央空调系统的污染物放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与常规电供暖相比，相当于减少70%以上如果结合其他节能措施减排会更明显虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25%的充灌量.该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量.

3 地源热泵中央空调系统工作原理

地源热泵中央空调系统是利用稍经处理的水（或水加乙二醇）与地源（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地源中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地源为“热泵”；夏季把室内的热量“取”出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地源为“冷源”.地源热泵中央空调供暖系统主要分三部分：室外地源换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统.三个系统之间靠水和空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地源之间的换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气.地源热泵中央空调系统同空气源热泵相比，有许多优点：⑴全年温度波动小.冬季温度比空气高，夏季比空气低，因此地源热泵中央空调系统的制热制冷系数要高于空气源热泵，一般可高40%,因此可节能和节省费用40%左右.⑵冬季运行不需要除霜，减少了结霜和除霜的损失.⑶地源有较好的储能作用.

4 地源热泵中央空调系统的分类

地源按照室外换热放热方式的不同可分为三类：⑴土壤埋盘系统；⑵地下水系统；⑶地表水系统.

根据循环水是否为密闭系统可分为闭环和开环系统.所谓开式系统是将地下水直接供到热泵机组，再将井水回灌到地下；闭式是将地下水连接到板式换热器，需要二次换热.地表水热泵系统与土壤源热泵系统相似，用潜在水下并联的塑料管组成的地下水热交换器替代土壤热交换器.

虽然采用地下水、地表水的热泵系统的换热性能好，能耗低，性能系数高于土壤源热泵，但由于地下水、地表水并非到处可得，且水质也不一定能满足要求，所以其使用范围受到一定限制.现在国外（如美国、欧洲）主要研究和应用的地源热泵系统以及我国研究和实验研究及普及的重点均是土壤源热泵系统.

5 经济性对比分析（特定地点）

（以768kW机组为例进行说明）

5.1 基本技术参数及设备初投资（见表1）

表1

5.2 运行费用计算

（1）电力：0.5元/kw·h

（2）天然气：1.5元/Nm3

夏天制冷90天，运转时间8小时/天，夏季平均符合率65%计.

冬季采暖120天，运转时间8小时每天，冬季平均符合率按70%计.

以下为空调主机年运行费用：

（1）螺杆冷水机组制冷运行费用计算：

150kw×8小时/天×90天×65%×0.5元/kw·h=35100元

（2）水源热泵机组年运行费用计算：

制冷期间运行费用：

130.4 kw×8小时/天×90天×65%×0.5元/kw· h=30514元

采暖期间运行费用：

175.6 kw×8小时/天×120天×70%×0.5元/kw· h=59002元

全年合计运行费用：30514+59002=89561元

（3）燃气型直燃机年运行费用计算：

制冷起期间运行费用：

天然气费用：85Nm3/h×8小时/天×90天×65%×1.5元/Nm3=59670元

采暖期间运行费用：

天然气费用：85Nm3/h×8小时/天×120天×70%×1.5元/Nm3=85680元

全年合计运行费用：59670+85680=145350元

综上所述，地源热泵在所有中央空调机组中运行费用最低，而且设备初投资也比较低廉.当有低温热源（如地下水）条件时，地源热泵应为首选.

6 结论

地源热泵中央空调设备初投资不比传统型中央空调高，但具有传统型中央空调不可比拟的灵活性；资源的来源真正是量大面广，无处不在，且运行费用低于一般中央空调，是所有中央空调中运行费用最省的机组.所以，地源热泵技术也将会真正成为今后最有效和最有发展前景的冷暖空调技术中重要的组成部分，充分、合理地应用地源热泵技术，对我国的能源和节能政策具有很大的促进作用.

〔1〕张卫佳.某高档住宅小区地下水地源热泵-太阳能系统方案分析.暖通空调，2009（3）：45.

〔2〕张春枝.可再生能源在武汉某住宅建筑中的应用分析.暖通空调，2009（3）：107.

TU831

A

1673-260X（2010）11-0084-02