环保节能地源热泵技术应用研究

【摘要】目前由于能源消耗的急剧增加, 热泵作为一种通过消耗少量高品位能源, 把热量由低温级上升到高温级的特殊装置而受到了人们的青睐。本文将围绕环保节能地源热泵技术应用研究进行探讨。

【关键字】环保节能地源热泵技术应用研究

中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：

一、工作原理

地源热泵是利用地下地热资源的高效节能环保型空调系统，可实现能量从低温热源向高温热源的转移。地源热泵系统在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。冬季热泵机组从地源中吸收热量，并向建筑物内供暖，夏季热泵机组从室内吸收热量并转移释放到地源中实现制冷。在室内热量通过室内采暖空调末端系统、水源热泵机组系统和室外地能换热系统不断转移至地下的过程中。通过冷媒/空气热交换器内冷媒的蒸发，将室内空气循环所携带的热量吸收至冷媒中，最终通过室外地能换热系统转移至地下水或土壤里。在冷媒循环的同时再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过四通阀将冷媒流动方向换向。由循环水路将冷媒中所携带的热量吸收，由室外地能换热系统吸收地下水或土壤里的热量，地源热泵系统在制热状态下，通过水源热泵机组系统内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/空气热交换器内冷媒的冷凝。

二、国内外应用现状

1、国外应用现状

1912 年，瑞士的H．Zoelly 首次提出利用浅层地热能（地源能）作为热泵系统低温热源的概念，但由于当时一次能源充足，用热泵供暖的社会需求不足，导致热泵技术没有得到重视和发展。直到1948 年，Zoelly 的专利技术才真正引起普遍的关注，尤其是欧洲和美国。20 世纪50 年代，美国和欧洲国家开始研究和利用地源热泵，但当时能源价格较低，使用热泵系统并不经济，因而没有得到推广。1974 年以来，由于石油危机的出现和环境的恶化，引发了人们对新能源的开发和利用，因此开始了地源热泵的研究和利用。自1974 年起，瑞典、瑞士、荷兰等国政府资助的示范工程逐步建立起来，地源热泵技术也日趋完善。

20 世纪70 年代末到90 年代初，美国开展了冷热联供地源热泵的研究工作成立了全国地源热泵生产商联合会，并逐步完善了工程安装网络，成为世界上地源热泵机组生产和使用的大国。

2、 国内应用现状

20世纪50年代，天津大学的热能研究所最早开展了热泵方面的研究工作，并于1965年研制了我国第一台水冷式热泵空调机组。我国对土壤源热泵的研究始于20世纪80年代，国内的科研工作者相继展开地源热泵的研究和试验工作，各种试验研究工作主要由各大学进行。1978年-1999年，中国制冷学会第二专业委员会举办了9届“全国余热制冷与热泵技术学术会议”，在2001年宁波召开的全国热泵和空调技术交流会和2002年在北京召开的国际热泵会议上，国内外有关人士开始关注中国这个很有发展潜力的大市场。

2008年的北京奥运会，在体育场馆、运动员村等奥运会建筑中将广泛采用太阳能、地热能等可再生能源，并将采用高效、清洁的常规能源利用技术，将在一定程度上代表了国际上最先进的用能方式，其产生的效应将直接影响北京市未来能源利用的发展方向。同时对国内其他地区地源热泵的发展也将产生一定的积极作用。

三、实例分析：地源热泵在建筑节能中的发展

中国经济高速增长，社会购买力大大增强，随着科技的发展，地源热泵的技术将更加成熟和完善，地源热泵的高初投资对其应用的影响将越来越小，地源热泵必将拥有更加广阔的发展前景。地源热泵系统紧凑，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。节能、环保、可持续发展已经成为世界发展的三大主题。地源热泵在中国的研究与应用还处于起步阶段，热泵工质的研和开发还需要进一步深入进行，各地区的地下热源状况、土壤热物性资料还需要进一步搜集和整理，地源热泵的系统性能优化和经济性分析也尚待深化。地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统，但地源热泵系统被认为是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。根据国外的经验，由于地源热泵运行费用低，可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑。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。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。地源温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，整个系统的维护费用也较锅炉-制冷机系统大大减少，增加的初投资可在3~7 年内收回，保证了系统的高效性和经济性。

四、地源热泵系统的优势及经济效益

1、充分利用自然资源实现高效节能

太阳能是取之不尽的可再生绿色能源，地表浅层相当于一个巨大的太阳能集热器，它收集了47%的太阳能，比人类每年利用能量的500 倍还多。地源热泵在冬季就是利用这种储存于地表浅层的无限的能源作为热源；在夏季则以地表浅层恒定的地能温度作冷源，只需小功率的压缩机就可实现能量转换的空调系统。调研结果表明，使用地源热泵技术比风冷热泵节能40%，比电采暖节能70%，比燃气炉效率提高48%，所需制冷剂比一般空调减少50%，是真正意义上的高效节能。

2、具有极大的环境效益

传统的供暖、空调方式分别解决冬季供暖夏季制冷。其系统投资大、占地多，且对环境的影响很严重。而地源热泵则利用大地的蓄热能力，把夏季多余的热能排入大地留作冬季取用，把冬季多余的冷能留作夏季取用，源头上根除了空调系统对城市热岛的效应。地源热泵的污染物排放很低，系统所使用的制冷剂在工厂里注入并被完全密封，使用过程中绝无泄漏，用户任何时候均不必添补制冷剂，因而减少了对臭氧层的破坏。热泵系统可以建造在居民区内，在冬季供暖时省去了锅炉和锅炉房，没有燃烧，没有排烟；也没有废弃物，不需要堆放燃料、废物的场地，不用远距离输送热量，极大限度地改善其他空调方式的CO2 及颗粒物等污染物的排放量；供冷时省去了冷却塔，避免了冷却塔噪音及霉菌污染。地源热泵所使用的地下水可全部回灌，不会对水质产生污染；地源热泵系统不直接消耗煤或燃油、天然气等矿物燃料，从而达到了绿色环保的要求

3、运行稳定可靠且使用寿命长

传统的空调系统不论是水冷还是风冷，换热环境均为大气，由于它的换热器必须置于暴露的空气中，故不可避免地受到环境条件变化的影响，降低换热效率和使用寿命，并且影响了建筑物的外观；而地源热泵以土壤作为热源的主要优点在于土壤温度的相对稳定，基本不受外界环境的影响；埋管热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的能耗；热泵系统设计简单，运动部件比常规系统少，且安装在室内，自动控制程度高，可无人值守；系统安全无燃烧设备，不存在爆炸、燃烧的隐患；由于系统不暴露在风雨中，因而维护简便，机组使用寿命均在20年以上，地埋管换热器寿命可达40~50 年；地源热泵系统的供冷、供热平稳，降低了停、开机的频率和空气过热和过冷的峰值；把地源热泵换热器埋于地下，也不会破坏建筑物的外观。

【参考文献】

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