淺談地源熱泵節能技術

    1、前言

 

    近年來，隨著我國社會經濟的發展及人民生活水平的不斷提高，改善建筑熱舒適條件已成為一個比較突出的要求。空調作為目前改善建筑熱舒適條件的工具，然而，隨著空調設備的日益普及，建筑耗能量勢必將迅猛增加，對大氣環境的污染也將日趨嚴重。如何在建筑熱舒適條件得到改善的條件下把建筑耗能量減下來，減輕對大氣環境的污染，成了暖通界人士首當其沖需要解決的問題。現階段，在保證建筑熱舒適使用功能不降低的情況下，我們應采取各種有效的技術和管理措施，把新建房屋建筑的能耗較大幅度地降下來，對原有建筑物有計劃地進行節能改造，達到節省能源、保護環境和提高人民生活質量的目的。地源熱泵作為一種有益環境、節約能源和經濟可行的建筑物供暖及制冷新技術越來越受到關注。它是利用地下相對穩定的土壤溫度，通過媒介質來獲取土壤內冷（熱）能量的新型裝置，可一年四季方便地調節建筑內的溫度。由于該制冷供熱方式不存在能量形式的轉換，幾乎是一種能量的“搬運”過程，因而其能量轉換效率高、運營成本低。

 

    2、地源熱泵的工作原理及其節能特性

 

    2.1地源熱泵的工作原理

 

    地源熱泵則是利用水源熱泵的一種形式，它是利用水與地能（地下水、土壤或地表水）進行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量“取”出來，供給室內采暖，此時地能為“熱源”；夏季把室內熱量取出來，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時地能為“冷源”。

 

    熱泵利用大地（土壤、地層、地下水）作為熱源，可以稱之為“地源熱泵”。由于較深的地層中在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度，因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術障礙，且效率大大提高。此外，冬季通過熱泵把大地中的熱量升高溫度后對建筑供熱，同時使大地中的溫度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對建筑物降溫，同時在大地中蓄存熱量以供冬季使用。這樣在地源熱泵系統中大地起到了蓄能器的作用，進一步提高了空調系統全年的能源利用效率。  地源熱泵（制冷機）是通過作功使熱量從溫度低的介質流向溫度高的介質的裝置。建筑的空調系統一般應滿足冬季的供熱和夏季制冷兩種相反的要求。傳統的空調系統通常需分別設置冷源（制冷機）和熱源（鍋爐）。建筑空調系統由于必須有冷源（制冷機），如果讓它在冬季以熱泵的模式運行，則可以省去鍋爐和鍋爐房，不但節省了初投資，而且全年僅采用電力這種清潔能源，大大減輕了供暖造成的大氣污染問題。

 

    2.2地源熱泵的節能特性

 

    地源熱泵系統能充分利用蘊藏于土壤和湖泊中的巨大能量，循環再生，實現對建筑物的供暖和制冷。因而運行費用較低。  地源熱泵比風冷熱泵節能40%，比電采暖節能70%。比燃氣爐效率提高48%。所需制冷劑比一般熱泵空調減少50% 。

 

    通常地源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。與鍋爐（電、燃料）供熱系統相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70～90%的燃料內能為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節省約二分之一的能量；由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數可達4.0～ 4.4，與傳統的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調的50～60％。

 

    地源熱泵供熱空調系統是目前世界上最先進的綠色空調系統。熱泵供熱空調系統的工作原理是利用環境（空氣、水和大地）中的低品位熱量，經熱泵機組的工作而改變溫度，進而實現對建筑物的供熱和空調，同時還可以提供生活熱水。

 

    地源熱泵系統通過循環液在封閉的地下埋管中流動，實現系統與大地之間的換熱，利用大地巖土層中的可再生熱能。由于較深的地層中在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，與室外氣溫相比是冬暖夏涼，因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術障礙，且效率大大提高。在熱泵機組中消耗1kW的電能可以得到4kW以上的熱量，即能效比大于4。此外，它保持了地下水源熱泵利用大地作為冷熱源的優點，同時又不需要抽取地下水作為傳熱的介質。因此它是一種可持續發展的建筑節能新技術。

 

    3、地源熱泵獨特的優越性

 

    3.1、屬可再生能源利用技術

 

    地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源（通常小于400米深）作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。地表淺層地熱資源可以稱之為地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低溫位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47％的太陽能量，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。

 

    3.2、屬經濟有效的節能技術

 

    地能或地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高40%，因此要節能和節省運行費用40%左右。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。設計安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節約用戶30～40％的供熱制冷空調的運行費用。

 

    3.3、環境效益顯著

 

    系統運行沒有任何污染，可以建造在居民區內，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。首先，地源熱泵系統不直接消耗煤或燃油、天然氣等礦物燃料，沒有任何直接排放的污染物；其次，地源熱泵將室內的熱量轉移到地下土壤中存放，從源頭上根除了空調系統對城市熱島的影響；再次，高效的地源熱泵系統采用非常嚴格的控制系統，實現了能量輸出和建筑物能量需求的直接對應，減少了剩余能量的損耗；第四，高效的地源熱泵系統，輸出同等量的有用能量，僅僅消耗30-60%的電功率，高效的一次能源利用率，是地源熱泵系統環保效果的最直接原因。

 

    地源熱泵系統省去鍋爐和鍋爐房，全年僅采用電力這種清潔能源，徹底解決了鍋爐造成的大氣污染的問題。由于提高了能源的利用效率，大大減少了由于建筑供熱空調產生的CO2的排放量。同時避免了地下水源熱泵系統可能造成的對地下水的浪費和污染。它是一種清潔的可再生能源，具有極大的環境效益。

 

    3.4、一機多用，應用范圍廣

 

    地源熱泵系統可供暖、空調，還可供生活熱水，一機多用，一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統；可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、空調。此外，機組使用壽命長，均在15年以上；機組緊湊、節省空間；維護費用低；自動控制程度高，可無人值守。

 

    4、結束語

 

    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。系統緊湊，省去了鍋爐房和冷卻塔，節省建筑空間，也有利于建筑的美觀。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，因此具有高效節能的優點。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，保證了系統的高效性和經濟性。

 

    在建筑空調系統中采用地源熱泵技術可以有效地提高一次能源利用率，減少溫室效應氣體CO2和其它燃燒產生的污染物的排放，是一種可持續發展的建筑節能新技術。地源熱泵（地下耦合熱泵系統）適用范圍廣，運行費用低，節能和環保效益顯著。空調和供熱已成為普通百姓的需求，并逐漸向農村和南方擴展，市場前景很好。通過政府部門、科研機構和工程技術人員的共同努力，借鑒國外的成功經驗，我國的地源熱泵應用將得到較快的推廣和發展。