浅析采暖空调领域地源热泵技术及应用优势

1 热泵技术
1.1 热泵的概念
热泵，就是可以把热量由低温热源输送到高温热源的机械设备。热泵是消耗一定高品位能量，将低温热能提升为较高温度的热能。如果说热泵在运行过程中消耗的高品位能量为Q1，回收的低品位能量为Q2，那么输出的较高品位能量Q为Q1和Q2之和，热泵输出的能量Q与其所消耗的能量Q1之比，即热泵的输出功率与输入功率之比，称为热泵的性能系数，即COP值。COP=（Q1+Q2） /Q1。显然，此COP值是大于1的。而我们知道，锅炉、电加热器等普通制热装置的制热性能系数永远小于1。
1.2 热泵的分类
按低温热源的来源进行分类，热泵可分为地源热泵、污水源热泵、工业余热源热泵等。按热泵装置原理进行分类，热泵可分为压缩式热泵、吸收式热泵、吸附式热泵。采暖和空调工程中主要采用压缩式地源热泵。
1.3 压缩式热泵的工作原理
在冬季供热时，按制热工况运行，压缩机排出的高温高压蒸汽状的制冷剂流向冷凝器，在冷凝器中放热，将热量传给供热介质，然后通过膨胀阀节流降压，在蒸发器中蒸发吸热，吸收室外介质的热量。热泵制热原理如图1所示。在夏季空调降温时，按制冷工况运行，由压缩机排出的高压蒸汽，经换向阀进入冷凝器，制冷剂蒸汽被冷凝成液体，向外放热，经节流装置进入蒸发器，并在蒸发器中吸热，将冷冻水冷却。蒸发后的制冷剂蒸汽，经换向阀后被压缩机吸入。热泵制冷原理如图2所示。

图1 热泵制热原理

图2 热泵制冷原理
1.4 地源热泵的分类
1）地下水源热泵：地下水源热泵技术分为直接式和间接式。直接式将地下水直接供给热泵机组，如图3（a）所示。间接式使用板式换热器把水源热泵的水源系统与地下水分开，如图3（b）所示。

图3（a） 地下水源直接式系统

图3（b） 地下水源间接式系统
2）地表水源热泵：地表水源热泵技术采用比较好的地表水资源。地表水换热系统分为闭式和开式系统，开式系统又分为直接式和间接式系统。闭式地表水换热系统将塑料盘管抛入地表水源中，盘管内的中介水与地表水热交换，因此不需设置地表水取水口和排放口，对地表水不产生任何影响。如图4所示。开式地表换热系统直接抽取地表水，送入换热器或直接送入热泵机组进行换热，开式系统又分为开式直接系统和开式间接系统。如图5（a）、图5（b）所示。
3）土壤源热泵：土壤源热泵是把换热管埋在地下土壤中，让循环水在换热管中流动，循环水经换热管管壁与土壤进行热交换。夏季地埋管换热器将热泵机组产生的热量释放到土壤中。冬季从土壤吸热并将热量提供给热泵机组。

图4 地表水源闭式系统

图5（a） 地表水源开式直接式系统

图5（b） 地表水源间接式系统
1.5 地源热泵的系统组成
地源热泵系统主要由能量提升系统、能量采集系统和能量释放系统三部分组成。三个系统之间靠水或空气进行换热。
1）能量提升系统。
能量提升系统是指热泵机组，是地源热泵系统的核心设备，一般采用压缩式热泵。
2）能量采集系统。
能量采集系统是室外地热能换热系统，主要有地下水系统、地表水系统和地埋管系统。
a.地下水换热系统：地下水换热系统主要由抽水井、回灌井、除砂器、管道阀门、潜水泵等组成，将地下水提取出来，完成换热后再回灌到含水层中。
b.地表水换热系统：闭式地表水换热系统主要采用湖水、水库水，盘管外表面完全浸泡在水体中换热。开式地表水换热系统直接抽取地表水进行换热。
c. 地埋管换热系统：地埋管换热系统主要有地埋管换热器、循环水泵、定压补水装置和循环管路组成。地埋管换热器是由埋在地下的高密度聚乙烯管组成的封闭循环回路。
3）能量释放系统。
能量释放系统即室内末端循环系统，与其他采暖空调系统一致，再此不做赘述。
2 地源热泵技术的优势
2.1 经济
地源热泵系统可实现对建筑物的供热和制冷，还可供生活热水，一机多用。一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统。地源热泵系统的另一个显著的特点是大大提高了一次能源的利用率，因此具有高效节能的优点。地源热泵的核心技术就是利用地源（土壤、地下水、海水、湖水）温度夏季比环境温度低，冬季比环境温度高的特点，实现高效制冷、制热的功能。本技术自研究以来，已成功的应用于各类建筑，实现了建筑物夏季空调、冬季采暖、全年供热水的功能，与常规“制冷机+锅炉”系统相比，地源热泵比传统空调系统运行效率要高约40%~60%。另外，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，保证了系统的高效性和经济性。
2.2 节能
地源热泵系统产生的热量来自于地源能和建筑物室内排放的废热能，而这部分热能主要来源于太阳能和建筑物内设备与人体排放的热量，因此，地源热泵系统主要是充分利用了可再生能源。利用地源热泵技术制冷，与传统中央空调技术相比可降低能耗20%以上。
2.3 节水
地下水和地表水做为低位热源时，地源热泵系统仅提取水中的能量，换热后水全部被送回去，不消耗水。
2.4 环保
地源热泵系统的运行没有烟气、废水、废渣的排放，也无燃料的堆放场地。同时由于减少了制冷系统向环境排放的热量，因此，可降低建筑物对环境热污染造成的热岛效应，对周围环境产生的影响不大。
3 结论
地源热泵被称为“21世纪的一项以节能和环保为特征的具有发展前途的绿色空调技术”。在水文、地质、工程场地满足要求的情况下，应尽可能地将地源热泵技术运用到采暖空调工程中。