热泵空调系统的原理及主要特点

热泵空调系统的原理及主要特点
一、热泵与建筑空调
（一）热泵空调系统的原理及主要特点
1. 热泵原理热泵（制冷机）是通过作功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。

热泵与制冷机的工作原理和过程是完全相同的，从热力学的观点看都是热机工作过程的反循环。

热泵与制冷机在名称上的差别只是反映了在应用的目的上的不同：如果以得到高温的热量为主要目的，则一般称为热泵，反之则称为制冷机。

2. 主要特点建筑的空调系统一般应满足冬季的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）。

燃煤锅炉是最主要的大气污染源，中小型燃煤锅炉在城市中已被逐步淘汰；燃油和天然气的锅炉虽然减轻了对大气的污染，但排放的温室效应气体（CO2）仍造成环境问题，而且运行费用很高。

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的模式运行，则可以省去锅炉和锅炉房，不但节省了很大的初投资，而且全年仅采用电力这种清洁能源，彻底解决了大气污染的问题。

此外，采用热泵空调系统还可以兼顾生活热水供应，特别在制冷（空调）工况下可利用制冷的废热加热热水，不需额外消耗能量。

采用热泵为建筑物供热可以大大降低一次能源的消耗。

通常我们通过直接燃烧矿物燃料（煤、石油、天然气）产生热量，并通过若干个传热环节最终为建筑供热。

在锅炉和供热管线没有热损失的理想情况下，一次能源利用率（即为建筑物供热的热量与燃料发热量之比）不可能超过100%。

如果先利用燃烧燃料产生的高温热能发电，然后利用电能驱动热泵从周围环境中吸收低品位的热能，适当提高温度再向建筑供热，就可以充分利用燃料中的高品位能量，大大降低用于供热的一次能源消耗。

供热用热泵的性能系数，即供热量与消耗的电能之比，现在可达到3~4；火力发电站的效率可达35~58%（高值为燃气联合循环电站）。

采用燃料发电再用热泵供热的方式，在现有先进技术条件下一次能源利用率也可以达到200%以上。

用电热设备（例如电暖气、电锅炉，电辐射采暖）也可以把电能转变为热能，为什么还要用热泵呢？由于用电阻加热设备把电能转化为热能的性能系数(COP) 为1，而在火力发电厂中由燃料的化学能转化为电能总的效率约为32-50%；因此这种电阻加热方式总的一次能源利用率很低，是不经济的。

（二）空调热泵的分类及其优缺点以建筑物的空调（包括供热和制冷）为目的的热泵系统，其一个热源就是建筑物内部的环境，就其另一个热源的性质来分，现在常用的有空气源热泵、地下水源热泵和地源热泵等几大类。

在冬季供热工况下，室外空气、水或大地中的低品位热量通过热泵做功而提高温度以对建筑物供热。

1．空气源热泵空气源热泵利用室外的空气作为低温热源，系统最为简单，因而初投资最省，现有的家用冷暖空调器就是这样的空气源热泵。

空气源热泵的缺点是室外空气温度越低时供热量越小，特别是当空气温度低于-5℃时热泵就难以正常工作，需要用电或其他辅助热源对空气进行加热，热泵的效率大大降低。

此外，空气源热泵的蒸发器上会结霜，需要定期除霜，也损失相当大一部分能量。

2．地下水源热泵自上世纪90年代以来山东省等地开发了“地下水源热泵”空调技术，也称“地温空调”。

它抽取地下水在热泵中放出热量后再回灌到地下水层。

在热量的来源上它可归属于开式的地源热泵。

推广这种技术有明显的节能和保护大气环境的效益，对宣传和
推动热泵技术在空调中的应用也起到了积极的作用。

但是，这种“地下水源热泵”技术也存在明显的先天缺陷。

首先，这种抽取地下水的办法需要有丰富的地下水为先决条件，如果地下水位较低，水泵的耗电将大大降低系统的效率。

此外，虽然理论上抽取的地下水将回灌到地下水层，但在很多地质条件下回灌的速度大大低于抽水的速度，造成地下水资源的流失。

即使能够把抽取的地下水全部回灌，怎样保证地下水层不受污染也是一个棘手的课题。

水资源是当前最紧缺、最宝贵的资源，任何对水资源的浪费或污染都是绝对不可允许的。

因此，对大面积推广这种技术应采取慎重的态度。

3．地源热泵另一种热泵利用大地作为热泵系统的热源的技术，可以称之为“地源热泵”，或“地埋管地源热泵”。

由于较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度。

因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，且效率大大提高。

此外，冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。

这样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。

据测算，采用地源热泵供热时在济南地区的住宅在一个采暖季节的供热费用可在10元/m2以下，约为采用电锅炉或天然气锅炉供热时的费用的1/3。

夏季空调的电耗也大大减少。

简要的说，地源热泵空调系统主要优点是：环保节能，可持续发展；一机多用，节省建筑空间，无需冷却塔和室外风冷部分，对建筑外观影响小；运行费用低，投资回报快；全年运行，均衡用电负荷。

现在在国外得到较为广泛应用的地源热泵系统采用介质流经埋在地下的管子与大地（土壤、地层、地下水）进行换热的模式。

地源热泵（Ground-Source Heat Pump）的概念最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中，在20世纪50年代就已在一些北欧国家的供热中得到实际应用。

由于石油危机的影响，地源热泵在上世纪70年代得到较大的发展，但此时主要采用水平埋管的方式。

水平埋管占地面积大，而且水平埋管的地热换热器受地表气候变化的影响，效率较低。

因此这种水平埋管的地源热泵空调系统不适合中国人多地少的国情。

自上世纪80年代以来在北美也形成了利用地源热泵对建筑进行冷热联供的研究和工程实践的新一轮高潮，技术逐渐趋于成熟。

这一阶段的地源热泵主要采用竖直埋管的换热器，埋管的深度通常达60～200米，因此占地面积大大减小，应用范围也从单独民居的空调向较大型的公共建筑扩展。

国外在开发竖直埋管换热器时对保护地下水资源不受污染给予了高度的重视。

在钻孔、下管以后，再用水泥、膨润土等材料把井筒密封，杜绝了地面污染物进入地下水层或各地下水层之间互相贯通的可能性。

二、地源热泵空调系统组成及主要型式
（一）系统组成地源热泵空调系统一般由三个必需的环路组成，必要时可增加第四个预热生活热水环路。

如图1所示。

1．地热换热器环路由高强度塑料管组成的在地下循环的封闭环路，循环介质为水或防冻液。

冬季从周围土壤（地层）吸收热量，夏季向土壤（地层）释放热量，其循环有一台低功率的循环泵来实现。

2．制冷剂环路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，其它结构基本相同。

3．室内环路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—空气热泵机组、水—水热泵机组或水—制冷剂热泵机组。

4．生活热水环路将水从生活热水箱送到冷凝器去进行循环的封闭加热环路，是一个可供选择的环路。

对于夏季工况，该循环可充分利用冷凝器排放的热量，不消耗额外的能量而得到热水供应；在冬季或过渡季，其耗能也大大低于电热水器。

供热循环和制冷循环可通过热泵机组的四通换向阀，使制冷剂的流向改变而实现冷热工况的转换，即内部转换。

也可通过互换冷却水和冷冻水的热泵进出口而实现，即外部转换。

（二）主要型式地源热泵的地下环路中的介质是水或防冻液溶液，根据其供热（冷）介质（承担室内负荷的介质）的组合方式不同，地源热泵主机可分为：水－水系统、水－冷剂系统、水－空气系统热泵。

与此相应的空调系统型式主要有三种：
1．水－水系统水－水系统热泵主机的制冷工况与普通冷水机组的功能相同，即它是空调系统的冷源，为各种空调系统的末端装置提供冷冻水（二次冷媒）。

不同的是它所具有的供热工况－热泵运行方式，能够为空调系统提供45～550C的热水。

在选用该型主机时，应着重注意两点：一是空调系统供热工况或供暖方式末端装置的选择、设计应与热媒参数相匹配；二是该型主机制冷与供热工况间的转换一般是通过机外二次冷媒水与地热换热器循环水流道切换实现的。

因此水系统的设计应满足这一要求。

2．水－冷剂系统水－冷剂系统热泵主机与冷、热两用的家用分体式空调的工作原理基本相同。

不同的是它利用地热换热器循环水作为热泵制冷工况的冷却水和供热工况的低温热源。

家用分体空调中体积庞大、噪声污染严重的室外机被两根循环水管所取代。

由该型热泵主机组成的空调系统与风机盘管系统基本相同。

只是前者承担室内负荷的是制冷剂，而后者是冷冻（热）水。

因此，该型热泵主机的选择、设计、安装与控制可参照风机盘管系统进行。

3．水－空气系统水－空气系统热泵主机与全空气系统中空调机组的作用相同。

不同的是前者自身具备冷热源，其蒸发器（或冷凝器）相当于空调机组的表冷器（或加热器）。

因此，该型热泵主机的热效率高于水－水系统热泵主机。

在不需要二次冷（热）媒的情况下，宜优先考虑选用这种主机。

该机组的选择设计方法与空调机组的基本相同。

应注意的是二者的热媒参数有所不同，在确定加热器（冷凝器）面积时应区别对待。

三、地源热泵空调技术研究开发的主要成果
（一）主要研究成果地热换热器设计是否合理决定着地源热泵系统的经济性和运行的可靠性。

地热换热器所需埋管的总长度需要根据埋管的形式、地下岩土的热物性、地下的温度和冷热负荷的情况作详细的计算才能确定。

设置地热换热器的费用，其中主要是钻孔的费用，构成地源热泵系统初投资的1/4 ~ 1/3，因此正确设计地热换热器埋管的长度对于保证系统的性能和经济性十分重要。

由于影响因素很多、数学模型复杂，建议采用地热换热器设计计算软件进行设计计算，可以避免盲目估算带来的失误。

其中地下岩土的热物性对传热能力的影响很大，建议采用现场实测的方法确定地下岩土的热物性。

山东建筑大学地源热泵研究所取得的成果包括地热换热器传热分析、技术开发和工程应用三部分。

主要成果“地热综合利用关键技术”获2004年山东省科技进步二等奖，并被列入“建设部节能省地型建筑推广应用技术”。

主要创新点和研究成果包括：
1、在国际上首次求得地热换热器中传热过程三个重要问题的解析解：求得了半无限大介质中有限长线热源非稳态导热的解析解；提出了钻孔内传热的准三维模型，对单U型管和双U型管换热器中流体温度分布和相应的热阻求得了解析解；有地下水均匀渗流时线热源引起的非稳态温度场的解析解。

这些成果突破了传热学经典专著中相关问题的解析解的深度，是重要的理论创新。

2、开发了有自主知识产权的地热换热器设计和模拟软件“地热之星”，并已开始推广应用。

该软件以可视化图形界面和对话框的形式面向用户，使用户使用起来简单明了。

3、进行了深层岩土热物性测试的理论研究，并开发了深层岩土热物性测试仪，已投入实际应用。

现正在申请发明专利。

4、进行了适合于地源热泵系统应用的热泵主机的研究，开发了热泵主机与地热换热器联合工作的计算模拟软件。

5、结合我国国情开发了地源热泵系统的施工技术、工具和配件，取得“U型弯头”和“地热弹簧”两项专利。

6、地源热泵技术的工程应用。

研究所在进行理论研究和技术开发的同时，十分重视工程实际应用。

首先利用研究成果在我校学术报告厅中进行了地源热泵空调工程示范。

该工程于2001年5月投入运行，是我国第一个地埋管地源热泵空调系统的实际工程。

随后又在省内外陆续进行了十多个地源热泵空调工程的设计与施工，并对其中的一些项目正在进行长期的运行测试，以对理论研究成果进行必要的检验与验证，同时也为地源热泵技术的推广积累经验和基础数据。

2005年投入运行的济南市西区建设指挥部办公楼工程采用了地埋管地源热泵系统，取得了良好的效果，在济南市起到了很好的示范作用。

四、地源空调经济技术比较及应用展望冷、暖两用的地源热泵空调系统比传统的空调系统节能、清洁、使用长久是毋庸置疑的。

也应当指出：由于增加了钻孔费用，地源热泵空调的初投资将增加，同时，埋管也需要占用一些地下空间。

那么，地源热泵空调系统在初投资和运行费方面比其它空调方式究竟增加多少、减少多少呢？下面根据济南地区现行的有关规定和政策，以建筑面积在300m2～5000m2的中、小型空调系统为测算对象，对现行常用的几个空调系统作一比较，详见表1、表2。

地源热泵系统用一套设备实现了建筑物的供热与空调的两种要求，取消了锅炉房，消除了大气污染，提高了一次能源的利用率，减少了CO2的排放。

供热时比直接电热方式节电60%以上；比燃油或燃气锅炉的运行费用也大大降低。

增加的初投资一般可在3-5年内收回。

合理确定空调冷、热源是空调方案的主要组成部分。

而空调冷、热源的选择常常受到当地现有冷、热源类型、燃料供应及建筑周边条件等具体情况的制约。

合理确定空调冷、热源方案，需要设计单位、建设单位及政府有关部门等各方面的努力和协作。

同时，每种空调冷、热源都有其应用条件和适用范围，应因工程制宜，因地制宜，通过经济技术分析比较，合理选用。

但鼓励发展太阳能、地热等可再生能源应用技术及空调制冷节能技术是我国政府历来倡导的并已明文规定的政策。

在条件允许的情况下，使用地源热泵空调，无疑是一种利国利民的选择。

在供热空调中应用热泵技术的主要制约因素曾经是电力供应不足和人民群众消费水平较低。

随着改革开放以来我国经济的发展和人民生活水平的提高，以上两个制约因素已不复存在，空调和供热已成为普通百姓的需求，并逐渐向农村和南方扩展，市场前景很好。

而地源热泵由于其技术上的优势和节能的优点，将成为中小型建筑空调冷热源合理可行的选择方案之一。

用一席之地，得冷暖两机，将成为越来越多的建筑业主的共识。

表1 几种空调冷热源方案的技术比较方案序号1 2 3 4 冷源与热源电压缩制冷机电热水锅炉电压缩制冷机集中供热空气源热泵供暖设辅助热源地源热泵（空调、供暖两用）初投资比1 1.15 1.20 1.30 年运行费比1 0.65 0.60 0.48 系统主要特点初投资少；运行可靠，需设锅炉房及冷却塔；但耗电量太大，浪费高品质能源，运行费用高锅炉房由换热站取代，符合供热发展趋势，在无入网费时，初投资少；但供暖受外网制约，供暖运行费用较高。

节约设备用房，施工周期短，但室外机影响建筑立面，运行费用较高，不利于环保、节能。

可省去锅
炉房、冷却塔等设备；运行费用低；安全可靠；节能、环保；维修量小。

但初投资较大，占用地下空间。

表2 地源热泵空调与传统空调方式初投资及运行费用比较冷热源方式及序号项目1 2 3 4 地源热泵冷水机组与燃气锅炉配套冷水机组与城市热网配套直燃式溴化锂冷热水机组冷热水机组（元/kW冷量）560～700 560～700 560～700 850～1200 燃气锅炉（元/kW热量）400～550 城市热网（元/m2采暖面积）100 冷却塔（元/kW冷量）无40～60 地下钻孔及埋管（元/kW）800～1200 无机房水泵、管道、控制基本相同(20～40元/m2) 建筑物空调末端基本相同（70～110元/m2）初投资概算比较(热指标100W/m2) 初投资（元/m2）320 240 280 240 运行费用比较(热指标60W/m2，冷指标100W/m2) 季节夏季冬季夏季冬季夏季冬季冬、夏两季能源形式电电天然气电供热网天然气轻柴油单位kW.h kW.h m3 kW.h /m2季m3 升价格（元）0.6 0.6 2.5 0.6 22.5 2.5 3.5 热值1000W 1000W 28480kW 1000W 28480kW 34400kW 效率5.0 3.5 5.0 0.88 5.0 0.88 0.85 燃料耗量/m2.h 0.020 0.0172 0.020 0.0086 0.020 /m2.季12.6 26.97 12.6 13.52 12.6 22.57 19.34 燃料费用（元/m2.季）7.56 16.20 7.56 33.81 7.56 22.5 56.40 67.71 机房运行费用（元/m2.季）4.5元/m2.两季冷却塔运行费用（元/m2.季）无2元/m2.季全年运行费合计（元/m2）28.26 47.87 36.56 62.9 74.21 费用比例1 1.69 1.29 2.23 2.63 说明：1、冬、夏季运行天数分别按140天和90天计,冬季每天运行16小时, 夏季每天运行10小时,运行负荷系数取0.7。

2、机房运行费用和冷却塔运行费用均指水泵等用电设备运行费用，表中为概算值。

3、集中供暖按济南现行收费标准计。

4、单位空调面积钻孔费用的高低主要取决于单位空调面积负荷的大小和当地的地质情况，即单位面积钻孔的多少和钻孔的难易程度.。