浅析地源热泵的节能机理

摘要: 在当前能耗日益严重，而不可再生资源日益短缺的情况下，利用新能源是时代的必然趋势，地源热泵技术是一种新型的能源利用技术，运用丰富的地能来实现冬季取暖夏季采凉，并缓解了气候环境危机，因此我们对地源热泵系统的工作原理及应用进行研究分析具有重要的现实意义。

关键词：地源热泵、节能、机理

中图分类号：S210.4文献标识码： A

我国冬季采暖多以燃烧煤炭为主，夏季以使用空调为主。冬季煤炭燃烧排放的烟尘中有许多无法去除的超细颗粒，是PM2.5细颗粒的主要来源，而燃烧排放的二氧化硫和氮氧化物等气体，是大气污染物的主要污染物。从节能减排、绿色环保、可持续发展的角度来看，以清洁、可再生的地热源为能源的地源热泵这一绿色技术逐渐为人们关注，近年来在国内得到了应用和发展。

一、地源热泵的结构和工作原理

1、地源热泵系统的构成

地源热泵系统主要包括室外地源换热系统、还包括热泵机组以及包括室内空调末端系统，由此三部分构成。热泵机组是地源热泵系统的主动力部分，是由制冷压缩机和蒸发器设备、还有冷凝器和膨胀阀等设备构成相应的回路。其中压缩机可以说是热泵系统核心部位，是心脏，需要电来驱动，通过不断地压缩及输送使循环工质由低压低温压缩到高温高压，并且不停地进行循环；蒸发器可以对冷量进行输出的一种设备，它的作用是蒸发由节流阀流入的制冷剂的液体，主要是可以吸收或带走被冷却物体的热量，来实现制冷的目的;冷凝器是对热量进行输出地一种设备，把由蒸发器吸收的热量及压缩机产生的热量在冷凝器中被介质带走，以实现制热的目的；膨胀阀、以及节流阀对循环工质具有节流降压的作用，可以适当地调节循环工质的流量。

2、定义及节能机理

地源热泵系统是一种通过浅层土壤进行热交换的高效节能、无污染的，既可供暖又可制冷，并可提供生活用水的空气调节系统。一般而言，在未受干扰时，较深的地层温度常年保持基本恒定不变，夏季时温度低于室外温度，冬季时温度又远高于室外温度。地源热泵技术就是通过消耗少量高品位的电能，夏天时通过将室内的热量转移到低位热源中来实现制冷降温的目的，同时在大地中存储了热量以供冬季使用；反之，冬天时把低位热源中的热量转移到需要升温或供热的地方，以达到升温、采暖的目的，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量。在地源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。

地源热泵系统的节能机理在于系统只需消耗1kW的能量，用户即可获得4kW以上的热量或冷量，因此节能效果显著。地源热泵与电锅炉、燃煤锅炉的供暖比较如图1所示：

3、热泵系统的工作原理

热泵的工作原理是压缩机不断吸入由蒸发器制造的低压而且低温的制冷剂蒸汽，需要维持蒸发器内一直处于低压过程，从而创造了蒸发器里存在的制冷剂液体需要不断地处于低温状态下，对载冷剂热量的不断吸收，因而达到沸腾状态；经过吸入的蒸汽需要再进行压缩处理，使其压力和温度均都升高，因此创建液化制冷剂的必备条件；处于高压和高温状态的蒸汽被排入冷凝器之后，在维持压力不变的状态下，被冷却介质进行相应的冷却，释放出相应的热量，温度降低，再次凝结成为液体状态，经过冷凝器排出由于高压制冷剂产生的液体，在经过节流阀的过程中，又由于其受到阻力作用导致压力下降，因而致使一部分制冷剂液体被气化，由于其吸收了气化状态时的潜热，导致本身温度也随之降低，成为低压而低温状态下的湿蒸汽，流入蒸发器内；在蒸发器内部，制冷剂液体在维持压力不变状态下，由于其吸收载冷剂的热量因而被气化，进而成为低温而且低压的蒸汽，同时被压缩机吸走，就这样不断地周而复始地循环。

二、地源热泵的几种节能机理与特点

1、地源热泵的几种节能机理与特点

节能机理地源热泵系统是一种通过浅层土壤进行热交换的技术。

1.1系统优势

1.1.1节能、运行费用低。由于土壤全年的温度波动小，冬季比环境温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和冷源。地源热泵系统所具有的这种温度特性使其比传统空调系统运行效率要高40%。另外，土壤温度较恒定的特性使得热泵机组运行更可靠、稳定。整个系统的维护费用相比较锅炉制冷剂系统也大大减少，保证了系统的高效性和经济性。

1.1.2环保、洁净。地源热泵系统除了高效节能外，还不向环境排放废气、废水、废渣，减轻了城镇的大气污染。地源热泵的污染物排放量比电供暖减少70%以上，地源热泵系统供冷时省去了冷却塔，避免了冷却塔噪音及霉菌环境，从而达到了绿色环保的要求。

1.1.3可再生。从能量转换角度来说，地源热泵系统是利用浅层岩土体作为蓄热体并利用其中的能量，这些能量主要来源于太阳能和地热能，太阳能和地热能多用性。地源热泵系统可供热、制冷，一台机可多用，一套系统可以替换原来的锅炉和空调两套装置。

三、根据埋管方式的不同分类

垂直埋管形式是在地层中钻直径为0.1到0.15的钻孔，在孔中设置U型管，并用灌井材料填实钻孔深度一般为40米到200米。水平埋管形式是在地面开1到2米的沟，每个沟中铺设2(或6)根塑料管。蛇形埋管方式是在地面挖沟再铺设一根蛇形管段。下表列出了三种埋管方式的优势和劣势。图2

图2

1、土壤源热泵与水源热泵的优劣势比较

尽管土壤源热泵和水源热泵(地表水、地下水)都是以浅层地表的恒温场作为冷热源，但由于获取热量的方式和设备的不同，使得这两种系统又有各自的特点，对两者做出了对比，如图3所示:

图3

2、地源热泵系统较空气源热泵系统的优势

为建筑物提供供热和空调的热泵系统，除了前面介绍的地源热泵系统还有传统的空气源热泵系统。空气源热泵以室外空气为热源，供热时，从空气中获取热量，经热泵提高温度后给室内供热。与空气源热泵相比，地源热泵系统具有以下优势:

(1)地热源的温度与热特性常年保持恒定，波动幅度很小，系统性能稳定;而空气源热泵系统会因外部环境的波动而使系统运行不稳定。

(2)地源热泵的主机设置非常灵活，不需设置冷却塔，减少占地面积和对建筑物美观的影响。

(3)地热源热泵系统不存在结霜的问题，不需要额外增加运行费用及用以提供除霜(系统逆运行)的能量。

(4)地源热泵系统更加的环保。系统只是向地热源释放(获取)热量，不会向周围环境排放废热和废水，此外还可以一机三用:夏季供冷、冬季供热、常年供热水。

(5)地源热泵系统运行费用更低。一般来说，地源热泵系统的运行费用是空气源热泵系统的30%到40%。

(6)地源热泵系统应用范围更加广泛，而空气源热泵系统在冬季寒冷地区的使用存在技术障碍。

四、地源热泵系统的应用

1、地源热泵系统的适用条件

地源热泵系统通常需要具有处于地下30m到300m深度，而且温度不低也不高的恒温带，成为其热泵系统的“源”以及“汇”的地下工作环境，以及一年四季空调热泵本身需夏季排热以及冬季取热的优势特点。为保证热泵的高效性、稳定性、以及可持续性地工作，建设地源热泵系统需要遵循以下适用条件。

1.1一年四季需要室外空气平均气温达到温度10至20摄氏度，(或者地下恒温带处于10-200C)的地域；

1.2打井的地质条件要具有经济可能性的地域，并具有一定量的浅层地下水资源条件的地域；

1.3一年四季向地下总排热量同总取热量保持相等，或者维持接近状态的供热供冷工程，否则需要一定量的工程的补救辅助手段和措施；

1.4夏季供冷温度可达到不低于五摄氏度，冬季供热温度可达到不高于六摄氏度的工程。

2、地源热泵技术应用优势

2.1充分采用自然资源中的太阳能来实现高效节能，太阳能是取之不尽、用之不绝的，具有可再生性的绿色能源，对于地表浅层可以吸收百分之四十七的太阳能，它等同于巨大的太阳能集热器作用，甚至超过人类每年使用能量的五百倍。在冬季，地源热泵运用储存于地表浅层的巨大能源，作为其热能的来源；而在夏季就以地表浅层内的温地能温度，作为其冷源，仅仅需要小小功率的压缩机就能对其实施能量转换的。因此它是具有实质意义上的高效节能设施。

2.2具有极大的环境效益

地源热泵通过利用大地自身的蓄热功能，把夏季多余太阳能热排入大地内部，可以留作冬季备用，又可以把冬季多余冷能留给夏季备用，从根本上铲除了空调系统带来的热岛效应。地源热泵是污染物排放超低的系统，其用的制冷剂呈完全密封状态，且无泄漏问题，因此不必添加制冷剂，极大地减少了对臭氧层的破坏。热泵系统被建造用于居民区内，可以实现冬季取暖夏季取凉的功能，取代了燃煤锅炉，极大地改善了CO2及颗粒物造成的污染。同时也可避免冷却塔的噪音影响。由于地源热泵系统不直接消耗煤及天然气等矿物资源，因此达到了纯绿色环保的要求。

五、地源热泵系统案例环保效益分析

沈阳某办公区采用地源热泵系统为园区供暖、制冷，园区需要的冷负荷为5400 kW，热负荷为3500 kW；本文以该办公区为例，分析地源热泵系统环保效益。

1、冬季供暖

冬季供暖时间为5个月，按照传统的供暖方式，达到供暖要求需要约1935t标准煤。

采用地源热泵系统供暖方式后，园区实际运行状态为冬季白天8h，地源热泵系统启动时间为4h，耗电量为1360kW/h，冬季夜间采用低温运行状态，耗电量为560kW/h；供暖需要耗能1089600 Kw/ h。据国家统计局数据显示，每千瓦电耗0.404kg标准煤。消耗标准煤的数量为440198.4kg，即440t。冬季供暖期节省标准煤约1 495t。

2、夏季制冷

夏天地下土壤温度一般为9.6℃，经过板式换热器后，供水温度为14℃，回水温度为17℃。在此温度基础上，不使用地源热泵机组，只使用水泵循环就可以满足要求。

园区夏季冷负荷为5400kW，冷却、冷冻水泵合计每小时耗电量为500Kw/h；一般空调器的COP为3.19，按照园区冷负荷为5400 kW计算，每小时需要用电1692 Kw/h；由此可见，园区每小时省电1192Kw/h；夏季制冷90d，每天制冷8h，整个夏季共节省电能858240 kW·h，折合成标准煤为346.7 t。园区冬季供暖、夏季制冷总共节约标准煤1841.7 t。1kg标准煤燃烧会产生2.66 kg二氧化碳，0.015 kg二氧化硫。园区使用地源热泵供暖、制冷比传统方式，会全年减少排放二氧化碳4898.9t，二氧化硫27.6 t。

六、地源热泵系统的发展前景分析

在目前环境污染严重、能源短缺的情况下，我国已经把节能减排作为一项基本国策。每年我国的建筑能耗都占全部能耗的30%以上，因此减少建筑能耗迫在眉睫。地源热泵系统可以将土壤(或地下水)中的热量提供给建筑物制冷或供热。其运行的能耗为清洁能源电能，不会向周围环境中排放污染物和温室气体，不会造成环境污染。同时，地源热泵系统相对于传统的空调系统(锅炉制冷机组系统)效率更高，能耗更低，运行更稳定，没有噪声。

地源热泵技术是一种清洁而高效节能的安全技术，具有广阔的发展前景，但是目前需要在技术上不断地完善，提高地源热泵技术的适用性，使其能够满足更多区域的地质条件。因此加强地源热泵技术的应用研究对我国的经济可持续发展具有重要意义

在我国全面建设资源节约型、环境友好型的社会进程中，低碳、绿色、环保的理念日渐深入人心，地源热泵这一集节能、环保为一体的新技术，将越来越受到人们的重视。这一技术的使用不仅节约了大量的资源，而且有效地减少了二氧化碳、二氧化硫以及粉尘的排放，有效控制了PM2.5，及PM2.5的产生，减少雾霾天气的产生，将带来一定的环保效益，有利于我们创造良好的生活环境。

随着地源热泵系统施工技术的不断完善和提高，以及国家政策的扶持，地源热泵系统的造价逐渐降低，越来越多的开发商和业主会将地源热泵系统作为他们制冷供热的首选。地源热泵系统将得到更加广泛的应用，地源热泵系统的设备和设计、施工技术也将得到全而发展。

参考文献：

[1]冯红英.地源热泵系统的环保效益分析.[D].呼和浩特:内蒙古农业大学.2011.

[2]张培民.地源热泵系统的技术经济及环保效益综合评价.[J].北京:清华大学.2011.

[3]刘学来.李永安.张耀鹏.地埋管地源热泵空调系统设计施工中应注意的问题.[J].建筑技术.2010 (11).