導(dǎo)語(yǔ)：地源熱泵系統(tǒng)環(huán)保節(jié)能特性探討一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：介紹了地源熱泵系統(tǒng)的原理，闡述了其環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)，并對(duì)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題簡(jiǎn)要的分析并提出了相應(yīng)的解決措施。通過(guò)對(duì)熱泵的主要形式、技術(shù)特征、適用范圍的介紹，特別是在埋管方式和深度等方面，進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了探討和分析。地源熱泵是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的空調(diào)方式。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；空調(diào)系統(tǒng)工作原理；環(huán)保節(jié)能；熱平衡

地源熱泵系統(tǒng)指的是一種能夠利用地殼表層地?zé)豳Y源的（即通常深度小于400m），既能供熱又能制冷的空調(diào)系統(tǒng)，是節(jié)能又環(huán)保的設(shè)備。可利用的地?zé)豳Y源有以下三種，包括土壤、地表水、地下水。《暖通空調(diào)術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)》[1]（GB50155-92）第6.4.43條：熱泵，是能實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器與冷凝器功能轉(zhuǎn)換的制冷機(jī)。因此，從某種意義上來(lái)說(shuō)，熱泵在實(shí)質(zhì)上就是制冷機(jī)。

1地源熱泵系統(tǒng)的工作原理

地源熱泵系統(tǒng)主要由以下幾部分組成；地源熱泵機(jī)組，循環(huán)泵，地下埋管，風(fēng)機(jī)盤(pán)管末端設(shè)備，供回水管路，溫控閥等閥門(mén)配件組成。內(nèi)陸地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常采用的是一土壤作為地能資源的地源熱泵系統(tǒng)，因此我們以土壤作為地能資源形式進(jìn)行地源熱泵系統(tǒng)的工作原理介紹。通常，水從高處流向低處，熱量從高溫流向低溫，而水泵卻可以實(shí)現(xiàn)逆向，達(dá)到將水從低處輸送到高處的目的，同理，熱泵就是實(shí)現(xiàn)了熱量的逆向。地源熱泵系統(tǒng)通過(guò)輸入少量的高品位能源（如電能），冬季實(shí)現(xiàn)大地低溫位熱能的提高，給建筑物供熱，并利用大地進(jìn)行蓄存冷量并為夏季備用；夏季將建筑內(nèi)的熱量釋放給大地并進(jìn)行蓄存，實(shí)現(xiàn)建筑的降溫，同時(shí)為冬季儲(chǔ)備使用，工作原理見(jiàn)圖1。實(shí)質(zhì)上，地源熱泵是利用大地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)能量的平衡系統(tǒng)，因?yàn)樗浞滞诰蛄舜蟮氐男钅茏饔谩５卦礋岜孟到y(tǒng)根據(jù)運(yùn)行模式可以分為開(kāi)式循環(huán)和閉式循環(huán)2種，我們以常見(jiàn)的閉式循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行介紹。若根據(jù)埋管方式不同，還可以分為水平埋管、垂直埋管兩種形式，分別見(jiàn)圖2、圖3。水平埋管：施工技術(shù)相對(duì)垂直埋管來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單，但是埋管所占用的場(chǎng)地較大，容易受到外界氣候的影響，冬夏兩季聯(lián)用的效果不盡人意，比較適合單季使用。垂直埋管：就是在地殼中垂直鉆孔，前期鉆孔費(fèi)用高，但是后期維修費(fèi)用低，占地面積小，換熱能力較強(qiáng)，基本不受外界的影響，適合冬夏冷暖聯(lián)供系統(tǒng)，也是近些年主要采用的系統(tǒng)形式。

2地源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)

地源熱泵系統(tǒng)供熱時(shí)不需要燃燒礦物燃料，無(wú)污染，制冷時(shí)，不需要設(shè)置冷卻塔，避免噪音，不滋生霉菌。按文獻(xiàn)[2]，燃燒礦物燃料可產(chǎn)生1500℃~1800℃的高品位熱能，但是一般來(lái)說(shuō)，建筑只需要20℃~25℃低品位熱能，因此直接燃燒礦物燃料就會(huì)造成大量的熱能損失；如果地源熱泵取用溫度15℃，室內(nèi)環(huán)境溫度為25℃，理論上逆卡諾循環(huán)工作的熱泵的性能系數(shù)COP達(dá)到29，根據(jù)一次能源利用率，COP也依然能達(dá)到25左右，因此采用熱泵技術(shù)可大大降低供熱燃料的消耗，還能減少燃燒礦物燃料引起的CO2和SO2等污染物的排放。地源熱泵系統(tǒng)可靠耐用，室外地埋管壽命可達(dá)到50年，熱泵機(jī)組壽命為15~25年，熱泵主機(jī)系統(tǒng)安裝于室內(nèi)時(shí)，不會(huì)日曬雨淋，壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于傳統(tǒng)空調(diào)。下面以VRV空調(diào)系統(tǒng)為例與地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行比較。

3設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題

3.1冬夏季吸收放出熱平衡的問(wèn)題

《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》[3]（GB50366-2005，2009年版）第4.3.8條：豎直地埋管換熱器埋管深度宜大于20m；這樣做的目的：一方面是為了避免換熱短路，另一方面，可以有效地減少淺層地表溫度對(duì)地源熱泵機(jī)組的影響。水平埋管的方式，由于水平管埋得較淺，可以與地表充分地進(jìn)行熱交換，不容易出現(xiàn)地下土壤的熱平衡問(wèn)題。垂直埋管的通常做法是：在地層中鉆取直徑為100~150mm的鉆孔，鉆孔中應(yīng)設(shè)置U型管并用填注材料進(jìn)行填實(shí)，埋深一般取30~100m，以此來(lái)保證此時(shí)與地面及周邊土壤的熱交換量較小，但是在進(jìn)行設(shè)計(jì)并計(jì)算后，如果平衡差較大，需要采用混合式地源熱泵系統(tǒng)的方式，即在原有的系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加太陽(yáng)能輔助加熱或冷卻塔冷卻，以此來(lái)彌補(bǔ)缺失的熱量或冷量，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，否則的話，將出現(xiàn)地下土壤溫度失衡的問(wèn)題，熱泵機(jī)組工作能效較低，甚至可能出現(xiàn)無(wú)法運(yùn)行的嚴(yán)重后果。

3.2管徑最小流速

南方地區(qū)地溫普遍較高，一般直接采用水作為工作流體，水是最容易獲得的循環(huán)流體，并且具有低密度和高傳熱導(dǎo)數(shù)，流動(dòng)性能也好的特點(diǎn)。北方地區(qū)的冬季地溫偏低，都會(huì)用到防凍液。而地源熱泵系統(tǒng)中有很多材料可能會(huì)和防凍液接觸，如：鋼、黃銅、鋁等材料。防凍液應(yīng)采用安全無(wú)毒、導(dǎo)熱性能良好的液體，常見(jiàn)的有：氯化鈣水溶液，乙二醇水溶液，丙三醇水溶液。防凍液對(duì)地源熱泵材料有一定的腐蝕作用，因此還要加入一定量的緩蝕劑，緩蝕劑是在與水接觸的金屬表面形成將金屬和水隔離的保護(hù)膜，來(lái)達(dá)到緩蝕目的。

3.3水力平衡問(wèn)題

換熱量的大小決定地埋管的總長(zhǎng)度，水力平衡與各環(huán)路長(zhǎng)度有關(guān)。地埋管系統(tǒng)是水系統(tǒng)的范疇，連管方式可分為異程式，同程式，垂直埋管的異程式、同程式示意圖分別見(jiàn)圖4、圖5。異程式布置可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行布置，而不用考慮回路長(zhǎng)度，但是各個(gè)環(huán)路之間容易出現(xiàn)水力失調(diào)的問(wèn)題，需要安裝調(diào)節(jié)閥進(jìn)行平衡，后續(xù)管理工作量大。同程式布置時(shí)環(huán)路都是平衡的，運(yùn)行平穩(wěn)，因此對(duì)并聯(lián)的各支路應(yīng)盡可能的采用同程設(shè)計(jì)，否則，較短的環(huán)路反而承擔(dān)較多的熱或冷負(fù)荷，地下土壤的溫升或溫降更大，導(dǎo)致熱泵機(jī)組的工作能效降低。

3.4管材選擇問(wèn)題

對(duì)于地源熱泵系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一旦將換熱器埋入地下后，就應(yīng)該盡可能的避免維修或更換，所以，地埋管要保證化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，有較好的耐壓能力，流動(dòng)阻力小，導(dǎo)熱系數(shù)大等特點(diǎn)。土壤源熱泵系統(tǒng)中優(yōu)先推薦采用PE管材，特別是在耐低溫方面表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，非常適合北方地區(qū)使用。其他塑料管材可以選用聚乙烯、聚丙烯塑料管道，鋁塑復(fù)合管等管材。塑料管屬于“柔性管”，地埋管要與周圍的土壤承受同樣的荷載，并能有效的抵抗地下運(yùn)動(dòng)，塑料管的連接方式多為熱熔連接，在抗內(nèi)壓能力方面穩(wěn)定性好，能承受一定范圍內(nèi)的軸向拉伸應(yīng)力和扭曲變形，但管道受溫度變化影響較大，容易在管道應(yīng)力集中處就會(huì)出現(xiàn)破裂等現(xiàn)象。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮每隔一段距離設(shè)置固定支墩，便于分解管道所產(chǎn)生的應(yīng)力。

4結(jié)論

供熱和空調(diào)作為老百姓的日常需求和追求的生活品質(zhì)，地源熱泵系統(tǒng)已經(jīng)逐布向農(nóng)村發(fā)展。采用地源熱泵系統(tǒng)可以提高一次能源利用率，可以實(shí)現(xiàn)供熱制冷，還可以提供生活熱水滿足日常需要，特別是在沒(méi)有集中供熱的區(qū)域，可以廣泛應(yīng)用。在北方地區(qū)采用冬夏聯(lián)用的地源熱泵，設(shè)計(jì)時(shí)要注意吸收放出熱平衡，水力平衡的問(wèn)題。地源熱泵系統(tǒng)具有的高效、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)，符合國(guó)家發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略。

作者:王中海 單位:兗礦集團(tuán)鄒城華建設(shè)計(jì)研究院

參考文獻(xiàn)：

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[2]刁乃仁，方肇洪.地源熱泵--建筑節(jié)能新技術(shù)[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào).2004，23（3）：18-23.

[3]GB50366-2005（2009年版）.地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[4]蔡增基，龍?zhí)煊澹染幹黧w力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)（第四版）[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.