淺析采暖空調領域地源熱泵技術及應用優勢

1 熱泵技術
1.1 熱泵的概念
熱泵，就是可以把熱量由低溫熱源輸送到高溫熱源的機械設備。熱泵是消耗一定高品位能量，將低溫熱能提升為較高溫度的熱能。如果說熱泵在運行過程中消耗的高品位能量為Q1，回收的低品位能量為Q2，那么輸出的較高品位能量Q為Q1和Q2之和，熱泵輸出的能量Q與其所消耗的能量Q1之比，即熱泵的輸出功率與輸入功率之比，稱為熱泵的性能系數，即COP值。COP=（Q1+Q2） /Q1。顯然，此COP值是大于1的。而我們知道，鍋爐、電加熱器等普通制熱裝置的制熱性能系數永遠小于1。
1.2 熱泵的分類
按低溫熱源的來源進行分類，熱泵可分為地源熱泵、污水源熱泵、工業余熱源熱泵等。按熱泵裝置原理進行分類，熱泵可分為壓縮式熱泵、吸收式熱泵、吸附式熱泵。采暖和空調工程中主要采用壓縮式地源熱泵。
1.3 壓縮式熱泵的工作原理
在冬季供熱時，按制熱工況運行，壓縮機排出的高溫高壓蒸汽狀的制冷劑流向冷凝器，在冷凝器中放熱，將熱量傳給供熱介質，然后通過膨脹閥節流降壓，在蒸發器中蒸發吸熱，吸收室外介質的熱量。熱泵制熱原理如圖1所示。在夏季空調降溫時，按制冷工況運行，由壓縮機排出的高壓蒸汽，經換向閥進入冷凝器，制冷劑蒸汽被冷凝成液體，向外放熱，經節流裝置進入蒸發器，并在蒸發器中吸熱，將冷凍水冷卻。蒸發后的制冷劑蒸汽，經換向閥后被壓縮機吸入。熱泵制冷原理如圖2所示。

圖1 熱泵制熱原理

圖2 熱泵制冷原理
1.4 地源熱泵的分類
1）地下水源熱泵：地下水源熱泵技術分為直接式和間接式。直接式將地下水直接供給熱泵機組，如圖3（a）所示。間接式使用板式換熱器把水源熱泵的水源系統與地下水分開，如圖3（b）所示。

圖3（a） 地下水源直接式系統

圖3（b） 地下水源間接式系統
2）地表水源熱泵：地表水源熱泵技術采用比較好的地表水資源。地表水換熱系統分為閉式和開式系統，開式系統又分為直接式和間接式系統。閉式地表水換熱系統將塑料盤管拋入地表水源中，盤管內的中介水與地表水熱交換，因此不需設置地表水取水口和排放口，對地表水不產生任何影響。如圖4所示。開式地表換熱系統直接抽取地表水，送入換熱器或直接送入熱泵機組進行換熱，開式系統又分為開式直接系統和開式間接系統。如圖5（a）、圖5（b）所示。
3）土壤源熱泵：土壤源熱泵是把換熱管埋在地下土壤中，讓循環水在換熱管中流動，循環水經換熱管管壁與土壤進行熱交換。夏季地埋管換熱器將熱泵機組產生的熱量釋放到土壤中。冬季從土壤吸熱并將熱量提供給熱泵機組。

圖4 地表水源閉式系統

圖5（a） 地表水源開式直接式系統

圖5（b） 地表水源間接式系統
1.5 地源熱泵的系統組成
地源熱泵系統主要由能量提升系統、能量采集系統和能量釋放系統三部分組成。三個系統之間靠水或空氣進行換熱。
1）能量提升系統。
能量提升系統是指熱泵機組，是地源熱泵系統的核心設備，一般采用壓縮式熱泵。
2）能量采集系統。
能量采集系統是室外地熱能換熱系統，主要有地下水系統、地表水系統和地埋管系統。
a.地下水換熱系統：地下水換熱系統主要由抽水井、回灌井、除砂器、管道閥門、潛水泵等組成，將地下水提取出來，完成換熱后再回灌到含水層中。
b.地表水換熱系統：閉式地表水換熱系統主要采用湖水、水庫水，盤管外表面*浸泡在水體中換熱。開式地表水換熱系統直接抽取地表水進行換熱。
c. 地埋管換熱系統：地埋管換熱系統主要有地埋管換熱器、循環水泵、定壓補水裝置和循環管路組成。地埋管換熱器是由埋在地下的高密度聚乙烯管組成的封閉循環回路。
3）能量釋放系統。
能量釋放系統即室內末端循環系統，與其他采暖空調系統一致，再此不做贅述。
2 地源熱泵技術的優勢
2.1 經濟
地源熱泵系統可實現對建筑物的供熱和制冷，還可供生活熱水，一機多用。一套系統可以代替原來的鍋爐加制冷機的兩套裝置或系統。地源熱泵系統的另一個顯著的特點是大大提高了一次能源的利用率，因此具有節能的優點。地源熱泵的核心技術就是利用地源（土壤、地下水、海水、湖水）溫度夏季比環境溫度低，冬季比環境溫度高的特點，實現制冷、制熱的功能。本技術自研究以來，已成功的應用于各類建筑，實現了建筑物夏季空調、冬季采暖、全年供熱水的功能，與常規“制冷機+鍋爐”系統相比，地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高約40%~60%。另外，地源溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，整個系統的維護費用也較鍋爐－制冷機系統大大減少，保證了系統的性和經濟性。
2.2 節能
地源熱泵系統產生的熱量來自于地源能和建筑物室內排放的廢熱能，而這部分熱能主要來源于太陽能和建筑物內設備與人體排放的熱量，因此，地源熱泵系統主要是充分利用了可再生能源。利用地源熱泵技術制冷，與傳統中央空調技術相比可降低能耗20%以上。
2.3 節水
地下水和地表水做為低位熱源時，地源熱泵系統僅提取水中的能量，換熱后水全部被送回去，不消耗水。
2.4 環保
地源熱泵系統的運行沒有煙氣、廢水、廢渣的排放，也無燃料的堆放場地。同時由于減少了制冷系統向環境排放的熱量，因此，可降低建筑物對環境熱污染造成的熱島效應，對周圍環境產生的影響不大。
3 結論
地源熱泵被稱為“21世紀的一項以節能和環保為特征的具有發展前途的綠色空調技術”。在水文、地質、工程場地滿足要求的情況下，應盡可能地將地源熱泵技術運用到采暖空調工程中。