谈地源热泵技术及其应用

摘要：本文主要针对地源热泵空调系统与传统供热方式的比较、实际运行中如何操作以实现系统经济运行以及地源热泵在空调节能改造项目中的应用进行简要分析，仅供参考。

关键词：地源热泵；中央空调系统；技术

中图分类号：C35文献标识码： A

一、地源热泵空调系统与传统供热方式的比较

传统的供热方式有：纯电加热、燃煤/燃油/燃气锅炉供热及传统中央空调(冷暖两用)。单从能量的转换考虑，若产生相同的热量(以3600kJ计)。

纯电加热：产生1kW・h的热能需要1kW・h的电能，即3600kJ；燃煤/燃油/燃气锅炉：锅炉热效率只有70%-90%，产生相同热量要4000-5143kJ的热量；

3、传统的中央空调系统：其COP(综合能效比)为2.2-2.3左右，即产生相同的热量只需要1565-1636kJ的热量；地源热泵空调系统：其COP(综合能效比)可以到3.5-4.2左右，即产生相同的热量只需要857-1029kJ的热量。

以上比较可知：制取相同的热量，采用燃料锅炉消耗热量最多，其次是使用纯电加热，再次是传统中央空调，消耗热量最少的是地源热泵空调系统。燃料锅炉取暖热效率低、污染环境，而且只能取暖不能制冷，从能源转换与利用的角度考虑其能源消耗形式很不合理。

地源热泵与燃煤锅炉相比不但节能而且运行成本更低。以北方燃煤为例：居民用电阶梯电价最低档0.49元/kW・h，动力煤(5500kcal)，价格大约800元/t。

采用燃煤锅炉，热效率取0.75计算，产生3600kJ热量的燃料费用为：800×3600/(0.75×5500×4.186×1000)=0.166元。采用地源热泵机组，以热泵机组综合能效COP=3.8，热泵机组电耗占整个系统电耗0.8计算，产生3600kJ热量的用电费用为：0.49×1/3.8/0.8=0.161元。

地源热泵相比锅炉取暖具有的优势具体表现在：燃煤锅炉取暖系统复杂、设备繁多、占用场地大，而且环境污染问题严重(除尘、废渣处理等)，近年来雾霾天气频发的主要原因之一就是燃煤产生大量的粉尘，现在很多大城市的中心城区或新规划区域正在积极取替燃煤锅炉取暖方式，而地源热泵系统简单、设备少、占地少、不污染环境；燃煤锅炉取暖只能供暖不能制冷，如要制冷需另外增加一套单独的制冷系统；而地源热泵系统既能冬季供暖又能夏天制冷；燃煤锅炉取暖启动或停止都需缓慢运行，需要时间长，不能反复启停系统，而地源热泵系统操作灵活，启闭迅速。这一点对于一些白天办公、晚上无人的办公楼最合适，系统可以实现分时段运行，大大节约运行成本。这样两者相比，在单位产热量所用能耗相差不多的情况下，地源热泵系统整体运行的能耗将远低于燃煤锅炉供暖的能耗。

二、实际运行中如何操作以实现系统经济运行

地源热泵系统设计参数是根据相关设计规范等资料综合考虑后取得的，用以进行设备选型及其他相关的计算，而系统在实际运行中，末端的负荷是不断变化的，每日的负荷值不同，同日的不同时刻负荷值也不同，系统实际运行中各参数与设计值必然存在差异，有时甚至超出设计值很多。如何适时调整系统实际运行参数，使其在一个经济合理的状态下稳定运行是一个非常重要的问题。一套系统能否最终达到良好的使用效果“三分靠设计，七分靠运行”。地源热泵系统运行的能耗主要包括3个方面：风机盘管的电耗、循环水泵(地源侧和空调侧)的电耗、热泵机组的电耗(主要是压缩机组运行电耗)。

1、末端风

机盘管：在末端供水温度范围稳定、室内控制温度设定值不变的情况下，风盘风机的电耗取决于室内负荷的变化，该部分电耗相对较少，一般占系统总电耗小于5%。

2、循环水泵(包括地埋侧循环水泵和空调侧的循环水泵)的电耗

不同系统管网阻力有所区别，一般占系统电耗的10%～30%，改变系统水量可以影响循环水泵的电耗大小，减小循环水量降低水泵的运行功率，增大循环水量提高水泵的运行功率，该过程可以通过调节水泵电机配套的变频器(如果有)或水泵的出口调节阀来实现。

3、热泵机组电耗主要是压缩机运行时的电耗，其与压缩机的运行时间密切相关

实际运行中一般控制空调侧的供水温度来实现压缩机的启闭，即空调供水温度高于某设定值时压缩机停止工作，空调供水温度低于某设定值时压缩机开始工作。一般每台热泵机组有两套独立的压缩机系统，根据不同的负荷情况自动控制开启压缩机台数，以实现机组节能的目的。结合以上各部分运行情况及电耗比例，采取适当的降耗措施：

热泵机组是节能的核心部位，适当加大热泵能耗所占运行总能耗的比例，有利于系统体节能。但热泵机组设计选型时又要保留一定的设计余量，以备实际可能出现的不确定因素造成机组换热量不足，达不到预期的使用效果。

空调末端供水温度适时调整，以取暖为例，在满足室内需要的前提下尽可能降低其取值，因为供水温度越高，热泵冷凝器侧的冷媒介质要冷凝成液态以释放潜热就需要更高的压力，这样就增加了压缩机的实际做功，即热泵机组产生相同的热量条件下需要消耗更多的电量(即机组COP值减小)。

在系统循环温差适宜的情况下，尽量降低系统流量，以减少循环泵功率。所以，在系统运行过程中，运行人员应提高工作责任感，根据系统运行情况及时调整相关设备运行参数。首先，热泵机组出水温度设定不要太高(供暖时)或太低(制冷时)，一般冬季供暖空调侧达到40℃、夏季制冷空调侧达到7℃就可以满足建筑负荷需求；其次，适时调整系统流量，使地埋侧进出口温差及空调侧进出口温差在一个适当的范围内(如温差5℃左右)；再次，以上两项内容调整好后，观察热泵机组的压缩机运行与间歇情况，最终使循环泵电耗、热泵运行电耗保持在一个相对较低的状态下运行，这需要运行人员总结运行经验，反复进行调整；最后，运行人员要加强设备的日常维护保养工作，使各设备处于良好的工作状态。地源热泵系统在运行管理上可以尝试规模化经营和专业化管理，通过专业公司的服务来保证系统经济可靠运行。

三、地源热泵在空调节能改造项目中的应用

某宾馆冬季供热使用燃煤蒸汽锅炉，对环境污染较为严重，加上设备老旧、能耗大故决定放弃使用原有的燃煤蒸汽锅炉而考虑使用节能环保的地源热泵系统。地源热泵系统冬季可供给空调用热水以及生活用热水夏天将地源热泵机组并联在原有的螺杆冷水机组上.增大原有冷水机组机组总制冷量为入住宾馆的客人提供一个更舒适的环境又可根据夏季负荷的变化改变冷水机组的开启数量，有效地达到节能的目的。本次改造主要涉及宾馆主楼、裙楼两幢主要建筑物的空调系统。主楼地下一层地上九层，建筑物总高度33.75m.总建筑面积28100m2裙楼地下一层、地上五层，总高度23.80m总建筑面积18832m2，。空调冷源由设在裙楼地下室的冷冻机房提供。其内共计3台螺杆式冷水机组.总冷量4176kw.屋顶上设3台冷却塔空调热源由裙楼内锅炉房供给.经过汽一水换热器提供55/50oc热水。

1、方案设计

根据宾馆提供的原空调系统设计资料.主楼、裙楼的计算总冷负荷为3676kw，总热负荷为2601kw。其中冬季热负荷包括空调用热水以及生活热水。使用节能环保的地源热泵系统.冬季供给空调用热水以及生活热水.夏天辅助原有的螺杆冷水机组。考虑在宾馆周围绿地上钻孔埋入土壤换热器。地源热泵系统带热回收系统，不仅可以在夏天得到免费的生活热水，并且增加从土壤中的取热量.有利于土壤的热平衡。因夏季已有3台冷水机组提供足够的冷量，故热泵机组的选型以及埋孔数量根据冬季热负荷来选择。

2、热泵机组配置

根据上述的计算负荷结合本工程的实际情况拟选用带热回收系统的克莱门特地源热泵机组2台（HFCR134a环保冷媒）。

3、太阳能应用

为更好地利用能源，可根据当地条件将其它能源与地源热泵有机地结合起来应用。根据青岛地区的太阳能辐射情况，见图2，属于全国太阳能资源分布的第四类地区有一定能源利用价值。

可以利用太阳能集热板作为辅助能源白天依靠地源热泵供暖夜间利用太阳能集热板储存的热量由地热和太阳能共同供暖。这种组合形式比单纯使用地源热泵更为经济节能。根据宾馆的热水用水定额及入住率，考虑屋顶布置太阳能集热板的有效面积.布置200m2的太阳能集热板。

四、地源热泵的发展

目前,包括土壤源、空气源以及水源(地下水、地表水和生活污水)等在内的环境源热泵还没有占据建筑供热节能市场的主要地位。据国际能源机构热泵中心的统计,在多数国家,热泵只覆盖了住宅用能需求的很小一部分。虽然地源热泵销售量呈10%以上的增长势头,也仍然没有占据市场的主流。各国的实践经验证明,没有政府和社会的强制和激励措施,地源热泵的广泛使用几乎不可能,至少目前还没有这样的国家。一些成功推广了地源热泵技术的国家采用的强制和激励办法有:资金补贴、税收优惠、技术宣传、咨询和服务、电价优惠、标准和规章强制等。所以中国能否成为地源热泵的使用大国,关键的不仅仅是技术,更为重要的是政府(能源和环保部门)的政策和电力部门的认识水平。

地源热泵的应用涉及所有用户的利益,初期投资虽然增加,但运行费用节省了，能够在几年之内节省的运行费用能回收初期增加的投资。随着政府对节能环保的力度加强，以及人们对环保意识的提高，相信地源热泵越来越得到重视和应用。

结束语

地源热泵是一种利用少量的电量从岩土体、地下水、地表水中提取低品位热能的设备，正确地设计、应用，可以达到运行工况稳定且运行效率较高的效果。

参考文献

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