浅谈地源热泵技术与节能

　　摘要：随着经济的发展和人们生活水平的提高，公共建筑和住宅的供暖和空调已经成为普遍的要求。作为中国传统供热的燃煤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，因此一些城市已经在逐渐淘汰燃煤锅炉，地源热泵技术正是在这种形势下应运而生、逐步推广的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。本文重点概述了地源热泵的概念、技术原理、发展现状，描述了它的优势与不足之处，进而通过分析我国能源消费结构展现它在节能方面发挥的巨大作用。

　　关键词：地源热泵,节能

　　地源热泵实际上是一项非常古老的技术，四十年代便有应用，只是近五年来相关技术发展，使其迅速商业化。地源热泵的名称最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中，20世纪50年代欧洲出现了利用地源热泵的第一次高潮。在此期间，Ingersoll和Plass根据Kelvin线源概念提出了地下埋管换热器的线热源理论，但当时由于能源价格低，系统造价高，没有得到广泛应用。70年代，石油危机把人们的注意力集中到节能、高效益使用能源，使地源热泵的发展进入了高潮阶段。这个时期欧洲建立了不少水平埋管换热器的地源热泵，但主要用于冬季供暖。80年代初开始，美国、加拿大开展了冷暖联供地源热泵方面的研究工作，不少文献报道了地源热泵不同形式地下埋管换热器的传热过程及模型，并有部分工程的运行总结和性能比较。地源热泵技术的发展与广泛的实际应用让我们看到它未来的发展潜力是无限的，该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术，因此对于它的研究十分重要。

　　一、地源热泵的工作原理

　　地源热泵是逆卡诺原理的应用，从外部供给热泵较小的耗功W，从低温环境中吸收大量的低温热能，从而使热泵可以输出温度更高的热能，并送到高温环境中。地源热泵是利用水源热泵的一种形式，它是利用水与地能(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，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”;夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。

　　根据热力学第二定律，热可以自发地由高温物体传向低温物体，而由低温物体传向高温物体则必须做功。热泵系统实现了把能量由低温物体向高温物体的传递，它是以花费一部分高质能(电能)为代价，从自然环境中获取能量，并连同所花费的高质能一起向用户供热。热泵的供热量大于所消耗的功量，是综合利用能源的一种很有价值的措施。

　　二、 地源热泵技术路线

　　地源热泵技术路线有以下两种：土--气型地源热泵技术和水--水型地源热泵技术

　　土--气型地源热泵技术以美国的技术为代表，水--水地源热泵技术以北欧的技术为代表。二者的差别是：前者从浅层土壤或地下水中取热或向其排热，通过分散布置于各个房间的地源热泵机组直接转换成热风或冷风为房间供暖或制冷。后者是从地下水中取热或向其排热，经过热泵机组转换成热水或冷水，然后再经过布置在各个房间的风机盘管转换成热风或冷风给房间供暖或制冷。由于美国的土--气型地源热泵技术，可以不用地下水，采用埋设垂直管、水平管或向地表水抛设管路等多种方式，直接从浅层土壤取效或向其排热，不受地下水开采的限制，推广的范围更大、更灵活。

　　三、地源热泵特点

　　1.属可再生能源利用技术

　　2.属经济有效的节能技术

　　3.环境效益显著

　　4.一机多用，应用范围广

　　当然，象任何事物一样，地源热泵也不是十全十美的，如其应用会受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响;一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同;采用地下水的利用方式，会受到当地地下水资源的制约，实际上地源热泵并不需要开采地下水，所使用的地下水可全部回灌，不会对水质产生污染。

　　地源热泵也存在一定的缺点：其受大地温度和土壤热物性影响较大，土壤的导热系数较小，换热量就小;连续运行时，热泵的冷凝温度和蒸发温度易受影响发生波动，这也是最需解决的问题。

　　四、地源热泵为什么能节能

　　空调的作用和目的就是将热能进行空间转移。

　　(一)实现热能转移的条件

　　热能转移是靠热能交换来实现的，要实现热能交换必须存在三个条件：

　　1.存在能装载热能的载体(如水、氟利氨、室内空气、室外空气、地下土壤等)。

　　2.进行热交换的载体必须存在温度差

　　3.进行热交换的载体必须存在直接接触面

　　一般来讲：室内空气与室外空气因没有温度差不会发生热交换，同样室内空气与地下土壤因没有直接接触面也不会发生热交换;而空调机的作用就是利用电能将第三种载体的热能进行增加或降低，从而造成第三种载体温度增加或降低，产生第三种载体与室内空气、室外空气(或地下土壤)存在一定的温度差，同时第三种载体既与室内空气直接接触，又与室外空气(或地下土壤)直接接触;总而言之，利用空调机组将不能进行热交换的载体变成可进行热交换的载体，从而达到热能转移的目的;当然为达到这一目的必须消耗一定的电能。

　　(二)影响热量转移效率的因素

　　影响热能转移的因素有以下几种：

　　1.热能载体间的温度差：温度差越大，热能交换越快，交换量越大，效率越高。

　　2.热能载体的流量：流量越大，热能交换越快，交换量越大，效率越高。

　　3.热交换的直接接触面积：面积越大，热能交换越快，交换量越大，效率越高。

　　以上几种因素相互影响，相互制约，当然，热交换的效率越高，表明损失的热能越少，空调机组的综合性能系数越高，相应的消耗的电能就越少

　　(三)空调机组热交换效率的分析

　　空调机组的电能消耗包括三部分：与室内空气进行热交换而消耗的电能(室内机)、空调机组内部进行的热交换而消耗的电能(主机)，与室外空气(地下土壤)进行热交换而消耗的电能，其中与室外空气进行热交换而消耗的电能占空调耗电的50%以上，

　　无论采用哪种类型的空调机组，其中室内热交换部分的耗电和主机热交换部分的耗电是差不多的，交换效率相同，但是与室外空气(地下土壤)热交换的效率因环境工况不同而大不一样，效率和耗电差异很大;因此在这里我们主要分析机组与室外空气(或地下土壤)进行热交换的效率

　　1、普通空调(空气源热泵)热交换效率分析

　　夏季时，室外侧载体(与室外空气进行热交换的载体)经主机热交换后的温度一般都达到40℃，而环境空气温度一般在32∽37℃;温度差在8∽3℃左右;冬季时，室外侧载体经主机热交换后的温度一般只达到6℃，而环境空气温度一般在7∽10℃;温度差在1∽4℃左右。这么低的温差造成自然的热交换效果肯定差。我们常说的最热时或最冷时的空调效果很差就这个原因造成的。

　　2、地源热泵效率分析

　　因地下土壤的环境温度一年四季比较恒定，均处在14∽18℃左右;而且不受气候变化影响。夏季时，室外侧载体经主机热交换后的温度一般都达到40℃，与土壤环境温度的温度差在26∽22℃左右;冬季时，室外侧载体经主机热交换后的温度一般只达到6℃，与土壤环境温度的温度差在8∽12℃左右。这么高的温差造成自然的热交换效果肯定好。

　　通过上述效率的分析，普通空调(空气源热泵)换热效率低，而直接接触面积受到设备空间限制，只有靠增加风的流量来满足机组需要的热能转移要求，从而增加风扇的电功率。增大了耗电能量，降低空调的综合能效系数;但是地源热泵换热效率高，接触面积不受限制，只要当接触面积达到一定值时，就不需要增加任何用电设备来提高载体的流量就能满足机组的热量转移要求，基本上不需要消耗电能，当然这也是地源热泵初次投资高的原因

　　四、普通空调(空气源热泵)与地源热泵的综合性能系数

　　一般的，空调都有一个耗电指标：综合性能系数EER值;普通空调(空气源热泵)EER值一般在2.5-3.5之间，意思就是空调消耗1KW的电能，能得到2.5-3.5KW的制冷(热)量。而地源热泵的EER值一般在5以上，最高能达到7，也就是说，消耗1KW的电能，能得到5∽7KW的制冷(热)量。

　　通过对EER值的比较，我们不难看出，地源热泵空调比普通空调(空气源热泵)省电50%左右，这就是地源热泵节能省电的原因。

　　五、地源热泵应用方式

　　地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类，从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。

　　1.家用系统

　　用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应，多用于小型住宅，别墅等户式空调。

　　2.集中系统

　　热泵布置在机房内，冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。

　　3.分散系统

　　用中央水泵，采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源，用户单独使用自己的热泵机组调节空气。一般用于办公楼、学校、商用建筑等，此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上，便于计量，适用于目前的独立热计量要求。

　　4.混合系统

　　将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，混合系统与分散系统非常类似，只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。

　　南方地区，冷负荷大，热负荷低，夏季适合联合使用地源和冷却塔，冬季只使用地源。北方地区，热负荷大，冷负荷低，冬季适合联合使用地源和锅炉，夏季只使用地源。这样可减少地源的容量和尺寸，节省投资。

　　(三)地源热泵节能意义

　　面对严峻的能源形势，国家总的能源政策还是节能和新能源开发、再生能源利用并重，因此，地源热泵技术的推广应用在我国具有极大的现实意义。地源热泵比风冷热泵节能40%，比电采暖节能70%，比燃气炉效率提高48%，所需制冷剂比—般热泵空调减少50%。从降低运行费用、节省能源、减少排放CO：排放量来看地源热泵技术是一个不错的选择。地源热泵是一一种先进的技术，它高效、节能、环保，有利于可持续发展。地源热泵的能量来源于自然能源，它不向外界排放任何废气、废水、废渣，是一种理想的绿色空调”。被认为是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统，该系统无论严寒地区还是热带地区均可应用，可广阔应用在办公楼、宾馆、学校、宿舍、医院、饭店、商场、别墅、住宅等领域。

　　结论

　　进入21世纪以来，已经成为世界经济发展的潮流。发展知识经济要求人们加强经济运行过程中以智力资源对物质资源的替代，实现经济活动向知识化转变;发展循环经济要求以环境友好的方式利用自然资源、经济资源、环境容量，实现经济活动向生态化转变。与此同时中国的经济社会却面临着资源尤其是能源短缺的制约。地源热泵技术的研究与推广正是顺应了发展知识经济和循环经济的潮流，为我国能源短缺问题提供了一种很好的解决方式。国家与企业应当重视地源热泵技术的研发与实际推广应用，为我国更好的发展与生活创造条件。

　　参考文献

　　[1]夏伟.浅谈地源热泵技术方黑龙江科技信息.2010年第1期

　　[2]王德荣.地源热泵技术及其节能效益分析[J].大众用电.2005年第6期

　　本文选自《施工技术》。  《施工技术》创刊于1958年，是由中华人民共和国住房和城乡建设部主管，亚太建设科技信息研究院、中国建筑设计研究院、中国建筑工程总公司、中国土木工程学会主办，国际刊号ISSN:1002-8498,国内刊号CN:11-2831/TU.国内建设系统的国家级、核心科技期刊。
 

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