地源热泵技术在暖通空调中的应用

杨茬

摘 要：地源热泵技术是一种利用浅层地热能源实现制冷和供暖的高效节能空调装置。本文主要概述了地源热泵技术，并探讨了地源热泵技术在暖通空调中的应用。

关键词：地源热泵；暖通；空调；应用

社会经济的发展，推动了人们物质生活的快速发展，人们在生活品质方面的要求也日渐提高，在暖通空调方面的需求也日益提高，并对其安全性和经济性提出了更高的要求。地源热泵技术是一种最近发展起来的空调供暖方式，具有明显的节能环保特点，在国际上得到了普遍的运用。

1 地源热泵技术概述

地源热泵技术就是将地热当成热泵装置的热汇或热源，最终实现建筑物的采暖和制冷。它主要是以输入少量高品位能源的形式，完成低温热源到高温热源的热量转移。在冬季和夏季，可以将地热能当成高温热源和低温热源，在寒冷的冬季就可以将地热调出来取暖或用来作为热水供应的主要能源。而夏季，则通过把室内热量释放到地层中实现热量转移。此技术具有很多独特的优点：

首先，能实现节能减排的作用。地源热泵技术主要是利用地下浅层地热资源，因此，无需耗费较多的能源就能维持地源热泵空调系统的正常运转，实现节能降耗。又因为没有使用其他能源，便不会释放温室气体，避免了环境污染的问题。其次，经济高效。地埋管地源热泵技术无需进行燃烧操作，所需的能源不多，却能提高空调40%的效率，降低能源消耗和成本花费，实现整个系统的高效运作。再次，可再生利用。本技术所使用的是地热资源，而这种能源是对太阳能的一种转变利用，而太阳能则是一种可再生能源，因此，可再生利用。最后，还有环保长效的特点。地源热泵技术在使用时没有燃烧，是相当环保的，不会面临废弃物排放等环境污染问题。

2 地源热泵技术在暖通空调中的应用

2.1 大地耦合热泵

大地耦合热泵主要是将地表浅层土壤作为热量的来源，跟以前的空气热泵技术（ASHP）比较，具有明显优势：地下土壤的温度比较恒定，又因为土壤可以延缓地表空气温度的变化，所以，大地耦合热泵更适合做热泵装置的热源，还能实现系统的高效运行；此技术将土壤当成了热源，以土壤替代了传统空调中的冷却塔，最终有效减少了空气污染和热污染。

但是在使用大地耦合热泵时，必须注意土壤的传热性能较差，传热面积较大，且埋设时需要花费较多的成本，当出现故障时不便开展检修。所以，在具体使用时，必须全面考虑利弊。

（1）直接式与间接式大地耦合热泵

从蒸发器与大地换热形式的不同，大地耦合主要可以分成直接式和间接式两种形式。间接式主要是将盐水溶液或栽冷剂作为蒸发器和热源之间的热量传递媒介使用，跟直接式相比，可以节省制冷剂的冲灌量、让热泵系统更加灵活，能大大的减少工程量。但是也存在一些局限性，会加大初投资，并造成额外降温。而在直接式中，蒸发器盘管被埋到了地下，可以减少较多的投资，适合用在家庭热泵系统中。在安装直接蒸发系统时，要注意：使用1～2根并列的90m长的3/4钢管当成两缸或者三缸压缩机的地下盘管，以便地下抽热比普通的间接式系统高。

（2）水平式和垂直式大地耦合热泵

水平热交换管的地下盘管的主要材料是聚乙烯硬塑料管，一般是水平地敷设在土壤中。此技术中的管子敷设深度与塑料管侧间距是必须重视的参数。吸热地面要跟采暖建筑物靠近，土壤面积的大小要根据土质、含水量与此位置的太阳照射时间来定。塑料管之间的距离越小，则利用效率越高，但热交换管量更多，所需费用也更多，所以，必须进行技术经济性考虑。土壤中的管群铺设最好分成好几组，要将单根管长控制在100m以内，否则会消耗较多的泵功率。

热泵工质往往使用盐水溶液，因为这种溶液即便是在零下l5℃也不会冻结，低温的盐水溶液由土壤吸收热量，再传给热泵装置的蒸发器，再经过热泵环节，由冷凝器供给热分配系统。再者，水平热交换管的敷设方法还有回流式和串流式等，后者的供液与回流管之间不存在热交换，有利于换热，具体使用哪种方式应该根据实际的土质与地形来定。垂直热交换管就是其导管垂直安装在土壤中。导管由内外两根管子组成。外管的下端封闭，内管敞开，直径较小。在径向间距相同的情况下插在外管中。导管深度可达100m，并随地质、水文条件而变化。在载热剂向上流动的过程中就吸取了仅靠导管四周的土壤热量。

总之，大地耦合热泵的热交换效果与砂土类型、含湿量、成分、密度和是否均匀紧贴换热面有关，而管材、沙土及地下水会直接影响传热和使用寿命。

（3）大地耦合热泵有待解决的技术问题

大地耦合热泵主要用地下埋管换热器来吸取土壤的热源，所以，换热器的热源会受到本区域气候和土壤因素的影响。土壤温度的分布，不但影响着地下埋管的总传热系数，而且影响着大地耦合热泵的使用效率，因此，要针对不同区域的土壤条件使用不同的布置形式与埋管深度，以便取得较好的传热效果。

2.2 地下水热泵

地下水热泵是地源热泵技术中使用最为广泛的一种，尤其常以地下深井水为热汇或热源实现供热制冷。因为地下深井水常是在深地层中，又因蓄热与隔热作用的影响，其水温不会因为季节的变化而发生很大的变化，深水井的水温的稳定性更高，对热泵的运行相当有利。虽然整个水井系统布局紧凑，占地面积小，但是却能够抽取与回灌许多地下水。如果地下水热泵循环设计的好，所需的维护费用就非常低。而且在地下水回灌到蓄水层之后，其实际地层的含水量仍不变，不会产生地面沉降等问题，运用技术较为成熟。

2.3 地表水热泵

地表水热泵技术就是将河流、池塘和湖泊等地表水作为热源，以供建筑物暖通空调使用的一种热泵技术。相比于温度恒定的地下水，地表水在温度上变化较大，因此，在在外界温度较低的冬季，要保证足够的供暖热量，需要安装出热泵外的第二套热产生装置，即双联热泵采暖系统。在用水做热源时地表水热泵可以使用下列方式：

（1）将蒸发器直接安装在地表水中

因为地表水水质较差，往往使用板式热交换器当作蒸发器。使用这种方法虽然装置较易、价格较低，但是在地表水位出现变化时，较难固定蒸发器，并且需要经常清理蒸发器的表面。除此之外，如果蒸发器泄露部位流出制冷剂，会对热泵造成损坏。

（2）经盐水循环间接应用水的热能

与第一种方法相同这个系统也是将板式热交换器安装到地表水中，但是其流入蒸发器的是盐水溶液而非制冷剂。因为盐水温度较地表水偏低，因此可以吸取地表水的热量，在盐水把热量传送到热泵之后，温度降低后仍继续吸收地表水的热量，对盐水溶液而言，应使其在零下10℃时正常流动。热泵与蒸发器共同组成一个单元，安装在地表水之中的热交换器与热泵的热交换器利用盐水回来连接起来，其中的盐水溶液经由盐水循环泵来输送，此外还要在回路之中安装膨胀箱。

（3）用泵站抽取地表水并输送至热泵的蒸发器

这一方法只适合加热露天游泳池中的水和大型建筑物中的空调。这个方法所使用的蒸发器是可清洗的管式交换器，要先把地表水经由细密的格栅引进泵站。温度下降后的地表水需要被重新排入地表水源。在冬季，这一系统需要使用双联热泵采暖装置来完成。

（4）用井积聚经河岸过滤的水并将其输送到热泵蒸发器

这种方法具有经河流过滤的水可以制止蒸发器中污染物的进入的优点，但是所需的成本较高。

参考文献：

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