浅论地源热泵技术在暖通空调节能中的运用

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1、浅论地源热泵技术在暖通空调节能中的运用内蒙古科技大学 建环 10-1 班 许小玉 摘要：地源热泵系统的能量来源于地下能源，通过发挥浅层岩体的储冷储热作用， 实现对建筑物的供暖和制冷，被认为是目前可使用的对环境最友好、最有效的供 热、供冷系统。本文对地源热泵技术进行了阐述，介绍了地源热泵的原理及社会 效益和经济效益，分析了其形式及优点，对其与常规空调的技术特点、投资和运 行费用进行了比较，并对如何充分运用地源热泵技术实现暖通空调的节能提出了 具有可操作的建议。关键词：地源热泵；暖通空调；冷热源；绿色技术引言：目前，我国采暖和空调的能耗已占建筑总能耗的 55，炎夏季节多数电网 高负荷，约有 1/3

2、 用于空调制冷，造成许多地区用电高度紧张，拉闸限电频繁发 生。根据住房和城乡建设部 2010 年的调查情况，我国建筑运行能耗约占全社会 总能耗的 30%，如我国新建建筑全面执行节能标准，公共建筑能耗将减少 50%， 抓好建筑节能特别是抓好暖通空调的节能已成当前必要之举。当前，充分利用浅 层地能已成为建筑工程中暖通空调节能的重要方向，作为进行转换取暖或制冷的 新型清洁能源，地源热泵技术正在广泛应用于我国暖通空调领域，它基本不受地 域和气候的影响，较传统能源更为经济节能、清洁高效。根据美国相关数据，每 年安装约4万套地源热泵系统,意味着降低温室气体（如CO2等）排放100万吨， 相当于减少50万辆

3、汽车的污染物排放或种植404686公顷（约607万亩）树的效果 年节约能源费用可达250亿元。因此，广泛推广使用地源热泵正在成为我国未来 供暖与制冷替代能源的首选。图 1 我国能源消耗情况1.地源热泵的分类及工作原理1.1 地源热泵的概念地源热泵系统（GeotheRMdl heat pumpsystems）是利用地下的岩土作为稳 定的蓄热体，将地下浅层的热资源（也称热能），通过少量的高位能源（如电能）， 将低温位能向高温位能转移，以实现冬季取热储冷，夏季取冷储热的高效节能系 统，是目前效率高、对环境最有利的热水、取暖和制冷系统之一，属于经济效益、 社会效益和生态效益显著的社会公益技术，被称为二

4、十一世纪的“绿色空调技术”1.2 地源热泵的分类根据地热源的种类和方式不同，地源热泵可分为以下三类：1.2.1 土壤源热泵土壤源热源（也叫大地耦合式热泵）以大地作为热源，热泵的换热器埋于地 下与大地进行冷热交换。土壤源热泵系统主机通常采用水水或热泵机组或水 气热泵机组。根据地下热交换器的布置形式，主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇 行埋管三类。1.2.2 地下水热泵系统地下水热泵系统，是一种以水体为低位热源，利用地下水式水源热泵机组为 空调系统制备与提供冷/热水，再通过空调末端设备实现房间空气调节的系统形 式。地下水热泵系统的优势是造价要比土壤源热泵系统低，另外水井很紧凑，不 占什么场地，技术也相

5、对比较成熟，水井承包商也容易找。但存在其劣势就在于： 有些地方法规禁止抽取或回灌地下水；可供的地下水有限；如水质不好或打井不 合格要注意水处理；如泵选择过大、控制不良或水井与建筑偏远，泵耗能就会过 大。1.2.3 地表水热泵系统地表水热泵系统主要有开路和闭路系统。地表水热泵系统具有相对造价低廉、 泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。在寒冷地区，开路系统并不适用， 只能采用闭路系统。但是，在公共用的河水中，管道或水中的其他设备容易受到 损害。另外，如果湖泊过小或过浅，湖泊的温度会随着室外气候发生较大的变化， 这就会产生效率降低，制冷或供热能力降低的后果。图 2 地源热泵系统的一般形式1.3.

6、地源热泵的工作原理地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、热泵机组和室内空调末端系统。工作原理就是在地下埋 设管道作为换热器，管道与热泵机组连接形成闭式环路，管道中有液体流动通过 循环将热泵机组的凝结热通过管道散入地下（供冷工况），或从大地吸取热量供 给热泵机组向建筑物供热（供热工况）。其中水源热泵机主要有两种形式：水 水式或水空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热 泵与地能之间换热介质为水，与建筑物空调末端换热介质可以是水或空气，系统 的关键是大地换热器的设计和施工。图 3 地源热泵工作原理示意图2. 地源热泵系统的特点和优势2.1 地源热泵系统的特点2.1

7、.1 节能、高效地温一年四季基本恒定在16C左右，略高于该地区平均温度1到2度，使 得热泵无论在制冷或制热工况中均处于高效率点。 地源热泵空调系统在提供 100 单位能量的时候， 70%的能量来源于土壤， 30%的能量来自电力，用于将土壤 中的热量“搬运”至室内。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 7090%的燃料内能转换为热量供用户使用，而地源热泵空调 系统的转换效率最高可达 4.7，因此它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，其运行费用仅为普通中央空调的 5060%2.1.2 节省建筑空间、便于运行管理地源热泵没有冷却塔和

8、其它室外设备，省去了锅炉房、冷却塔及附属的煤场、 渣场所占用的宝贵面积，节省了空间和地皮，产生附加经济效益，并改善了环境 外部形象。热泵机组质量可靠，没有大型的集中机组，无需专人值守，大大减少 维修、维护费用，可以实现机组独立计费，分户计量，方便业主对整个系统的管 理。2.1.3 绿色、环保、无污染地源热泵空调系统在冬季供暖时，不需要锅炉，无燃烧产物排放，可大幅度 降低温室气体的排放，既保护了环境，又可遵守全球气候公约。在夏季制冷 时也是将热量转移到地下，没有任何气体排放到大气中，如果得到广泛应用将可 以大大降低温室效应，减缓全球变暖的进程。2.1.4 低运行费用浅论地源热泵技术在暖通空调节能

9、中的运用地源热泵空调系统的高效节能 特点，决定了它的低运行费用。其维修量极少，使用寿命和建筑物同期，折旧费 和维修费也都大大低于传统空调。由于自动化程度高，无需专业人员操控。一般 来说，地源热泵空调系统的供暖和制冷费用只相当于普通空调系统供暖和制冷费 用的 3070%。2.1.5 应用灵活、安全可靠、用途广泛地源热泵空调系统灵活性强，套地源热泵系统可以替换原有的供热锅炉、 制冷空调和生活热水加热的三套装置或系统。可用于新建工程或扩建、改建工程， 可逐步分期施工。热泵机组可灵活地安置在任何地方，节约空间。同时，地源热 泵无储煤、储油罐等卫生及安全隐患。因此，地源热泵空调系统从严寒地区至热 带地区

10、均适用，可为办公楼、宾馆、医院、饭店、商店、超市、幼儿园、别墅、 居民小区等各类建筑物提供冷暖两用空调系统，并可同时提供生活热水。2.2 地源热泵系统的优势2.2.1 地源热泵的社会效益我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃烧后产生的大 量污染物，是造成温室效益的主要原因。采取地源热泵能够有效减少常规供热和 空调对大气的污染，是一项利国利民的绿色工程。2.2.2 地源热泵的经济效益地源热泵系统可实现对建筑物的供热和制冷，还可供生活热水，一机多用。 一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统。系统紧凑，省去了锅 炉房和冷却塔，节省建筑空间，也有利于建筑的美观。根据以往项目

11、的经验，由 于地源热泵运行费用低，增加的初投资可在510 （年限有待考证）年内收回， 地源热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低于传统的空调系统。同时，地源 热泵空调系统的经济性取决于多种因素。不同地区，不同地质条件，不同能源结 构及价格等都将直接影响到其经济性。3. 地源热泵在暖通空调应用中存在的问题当然，地源热泵也并非十全十美，主要存在以下不足：初投资比较高，主要 是钻孔费和地下埋管材料费较高，约占总投资一半以上，同时需要占用一定的地 下面积；安装工艺要求较高，施工工期较长，如果设计和安装不合理，将难以充 分体现其优越性，收不到应有的节能效果；易受到不同地区、不同用户及国家能 源政策、燃料

12、价格的影响；冬夏季排取总热量存在不平衡性，使得土壤年吸、释 热量不平衡，连续多年运行后易造成热泵机组运行效率下降；采用地下水的利用 方式，会受到当地地下水资源的制约，易导致地下水氧化，产生一系列的水文地 质化学变化、生物变化等问题。4. 地源热泵中央空调系统的设计地源热泵中央空调是一个完整的系统工程，专业化的设计和施工确保了空调 系统的舒适感和科学性，要想体现出工程的高档和时尚，关键要把握住设计、施 工和运行调试三个关键阶段，其中设计是首位的，也是非常关键的。地源热泵中 央空调系统工程的设计主要分四个方面，即室内空调、热泵机组、土壤换热器、 自动化控制。4.1 地源热泵中央空调系统的确定用地源

13、热泵中央空调方式是好的选择，但是必须对建筑物的功能、环境和土 质水文作清楚的了解，作详细的调研后，方可确定此方案。4.2 建筑物系统勘查：在决定地源热泵系统的形式之前，应对工程施工现场情况资料进行准确的掌 握，这就是现场勘测。4.2.1 仔细阅读计划建筑的建筑物设计文件。了解对在施工期间，所有当地规章 制度、政策性条例、地区性法规，以减少施工干扰。4.2.2 确定建筑物业主拥有的地表使用面积大小和地形，建筑物所在的方位、结 构、路边附属设备、地下公用设施、市政管道位置以及地下废弃的设施，尽量避 免因潜在因素造成不必要的损失和影响施工。4.2.3 水文地质的勘查，包括松散土层的厚度、密度、砂型、

14、含水量、岩床的深 度、岩床的结构。对于土壤源热泵管地热交换器,挖一个35m的深坑就能实现， 对靠近地表处土质状况是否有巨石存在作一定了解。而对于垂直式地热交换器， 就需要钻勘探孔，并按有关规定格式做好记录。4.3 地下岩土热物性参数的检测地下岩土的热物性参数是地源热泵土壤换热器设计中重要的依据。热物性参 数的准确可保证设计的可靠。不会出现负荷不足或规模过大，造成浪费。传统的 方法确定岩土热物性参数是用钻孔取出的样本分析周围的地质结构，再通过查阅 相关资料确定导热系数的范围，况且地下地质结构的复杂，影响土壤导热系数的 因素诸多，导致计算的地埋管长度有时相差很大。另外，钻孔深度， U 型管的管 材

15、、埋管方式以及回填工艺对土壤换热器的换热能力都有影响。为了更准确的为 设计者提供可靠的设计依据，可制造一个井口测试设备，将按正确的工艺完成的 独立的单孔换热器接到一个恒温、恒流的循环热源中，测量记录环路中水的流量、 进出水的温度、运行时间等相关数据，用这些数据反推出每延米孔深的换热量 W/M 或每延米管长的换热量 W/M。4.4 根据勘查、调查写出水文地质勘测与评估报告，为设计提供可靠依据。4.4.1 建筑物业主拥有使用权的土地面积、范围以及规划设计方案；4.4.2 土地表面的现有建筑的结构、用途等，是否有其它的高架设施；4.4.3 地面的公共设施和相关的设施的位置和深度等；4.4.4 收集到

16、的地质资料并做出的评估；445勘测孔的孔深、孔径，U型管的数量、直径、长度、回填料的成分、以及 勘测孔的测试运行时间。446 测试孔的介质、流量、流速、进液温度、回液温度。447 基于当地土质的状况，确立换热器的方式，选用施工设备，拟定施工工艺 以及其它技术资料。45 建筑物冷热负荷的计算：冷热负荷的计算是空调工程设计中最基础的计算工作，负荷计算的准确性直 接影响到工程投资费用、能耗、运行费用及使用效果。在初步设计阶段，由于设 计基本数据不是很完备，所以一般是采用负荷指标估算冷热负荷,目的是为了做 投资预算的依据。以下是典型城市标准住宅、办公和单层住宅、商场、礼堂等建 筑物的冷热指标估算表：在施工图设计阶段可在设计基本数据具备后，必须进行详细全面的负荷计算， 除了建