土壤源热泵技术

土壤源热泵技术

一、引言

目前，空调冷、热源用能主要以电力和常规能源（煤、石油、天然气）为主，特别是煤炭所占比例较大，能源结构不合理，能源利用率低，环境污染严重［1］。首先，从可持续发展的方面来看，选择空调冷、热源时，应从环境保护、节能等方面考虑；同时，在技术方面，传统空调系统在冬季运行时，当室外温度过低时，存在蒸发器结霜的问题，这就阻碍了系统的正常运行，使得传统空调系统的应用受到地域的限制。所以，如果能找到一种最佳冷、热源来代替空气源热泵，这样不但可以提高效率，而且可以减少空气源热泵对环境的污染和不受地域的限制。土壤便是一种最佳的冷热源，而土壤源热泵系统在运行时不存在蒸发器结霜的问题。

二、土壤源热泵的工作原理土壤源热泵系统是把地下土壤作为热泵机组的低温热源，通过循环液体（水或者以水为主要成分的防冻液）在封闭的地下埋管中流动，实现系统与大地之间的换热。冬季供热时，流体从地下收集热量，再通过热泵系统把热量带到室内；同时在地下储存冷量，以备夏季制冷用。夏季制冷时，系统逆向进行，即从室内带走热量，再通过埋管内的循环液体将热量送到地下岩土中；同时在地下储存热量，以备冬季供热用。

土壤源热泵空调系统主要包括三套管路系统：室外环路系统、制冷剂环路系统和室内空调环路系统［2］。土壤源热泵空调系统的工作原

理如图1－1 所示。

（一）室外环路系统由高强度塑料管（U型管）组成的地下循环封闭环路，循环介质为水或者防冻液。冬季从周围土壤吸收热量，夏季向土壤释放热量，并与热泵机组之间交换热量。其循环由一台或者数台低功率的循环泵来实现。

（二）制冷剂环路系统即在热泵机组内部的制冷循环，与空气源热泵相比，只是将空气―制冷剂换热器换成水―制冷剂换热器，其他结构基本相同。

（三）室内空调环路系统室内环路在建筑物内和热泵机组之间传递热量，传递热量的介质有空气、水或制冷剂等，因而相应的热泵机组分别应为水一空气热泵机组、水一水热泵机组和水―制冷剂热泵机组。

图 1 土壤源热泵空调系统的工作原理图

有的土壤源热泵系统还设有加热生活热水的环路。将水从生活热水水箱送到冷凝器进行循环的封闭加压环路，是一个可供选择的生活热水的环路。对于冬季工况，该循环可充分利用冷凝器排放的热量，基本不消耗额外的能量而得到热水供应；在冬季，其耗能也大大低于电热水器。

三、土壤源热泵的优缺点建筑的空调系统一般应满足冬季供热和夏

季制冷两种相反

的要求。传统的空调系统通常需分别设置冷源（制冷机）和热源

（锅炉）。建筑空调系统由于必须有冷源（制冷机），如果让它在冬季

以热泵模式运行，则可以省去锅炉和锅炉房，不但节省了初投资，而且全年仅采用电力这种清洁能源，大大减轻了供暖造成的大气污染问题。与传统的空调系统相比，土壤源热泵系统具有以下优点：（一）利用可再生能源。土壤源热泵是利用地球表层所吸收的太阳能和地热能作为冷热源进行能量转换空调系统。而土壤中的能量大部分来源于太阳能的辐射，土壤源源不断地收集着太阳辐射能，吸收的这部分能量是人类每年利用总能量的500 倍还多，这就使得利用储存于其中近乎无限的地热能成为可能。因此，土壤源热泵利用的是可再生能源。

（二）节能。由于地下土壤温度冬季比环境高，夏季比环境低，且始终保持较为稳定的状态。由于这一特点，土壤源热泵机组的性能系数（COP较高。美国环保署估计，设计安装良好的土壤源热泵系统，平均来说可以比常规空调系统节约30%〜40% 的年运行费用［3］。

（三）环保效益显著。土壤源热泵仅消耗电能，从而降低了一次能源消耗带来的污染物和二氧化碳温室气体的排放。一个设计良好的土壤源热泵机组，所消耗的电能，与传统空调系统相比，可减少30%以上，与电供暖相比，可减少70%以上［4］，这就大大降低了一次能源的消耗，从而有效遏制了环境的污染。

（四）一机多用。土壤源热泵机组可供暖、制冷，还可提供生活热水，一套设备可以替代原来的锅炉加冷水机组两套设备，结构紧凑，节省机房面积。

主要缺点有：

（一）初投资较高。与传统的空调系统相比，主要增加了地下埋管

施工的投资，而地下埋管换热器的初投资占系统初投资的20%〜30%左右。

（二）土壤导热系数小。地下埋管换热器的持吸热速率仅为

20〜40W/m2 —般吸热速率为25 W/m2。

（三）地下埋管换热器占地面积大。由于土壤导热系数小，当建筑物冷热负荷较大时，地下埋管换热器占地面积较大。

四、结语

土壤源热泵系统作为一种环保和节能的热泵技术，对需要冬季供热、夏季制冷的冬冷夏热地区提高室内环境和降低建筑能耗具有重大意义。尽管土壤源热泵存在不足，但是由于其使用的是可再生能源，符合能源的可持续发展理论，因此被称为21 世纪最具有发展前途的绿色空调。