地源热泵闭式与开式分析

简介：空调用热泵是当前发展最快的一门技术，也是用于中央空调较理想的冷热源设备。本文介绍了热泵在空调中的应用、发展、种类和两种快速发展的地源热泵的供冷供热原理，根据新国标《地源热泵系统工程技术规范》对比分析了这两种地源热泵的技术经济性、造价、共同优点,以及地下水热泵的弊端，提出了客服其弊端的措施。并论述了地理管热泵的节能技术及其节能潜力。

关键字：地源热泵，地下水热泵，地埋管热泵，节能技术

1 热泵在空调中的应用与发展

1.1 热泵在空调中的应用

热泵的应用范围非常广泛，既可用于木材、烟叶等的干燥，也可用于印染、啤酒等的工艺生产。当然，热泵用于空调工程则更为有利。因为热泵是能将低品位热源提高为高品位热源的设备，因而近年来发展很快。空调用热泵其实是一种制冷机，是夏季能供冷、冬季能供热的特殊制冷机。空调用热泵能给从事中央空调的技术人员创造施展才能的领域，同时也能为热泵制造企业和施工单位提供无限的商机。正因为空调用热泵是中央空调新兴的一种很好的冷、热源方式——既能夏供冷、又能冬供热，因此近年来在中央空调工程中的应用越来越多，受到人们格外的重视。

1.2 常用空调热泵的种类

空调用热泵的分类方法很多，诸如按循环原理分类，按吸热放热介质分类，以及按吸热源类型进行分类等。

采用按吸热源类型分类法可将常用空调热泵分为如下几类：

（1）空气源热泵①冷暖空调机、一拖多；

②VRV、多联机；

③风冷式冷（热）水热泵。

（2）水源热泵①地下水源热泵（地下水地源热泵，井水源热泵），见图1；

②地表水源热泵（江、河、湖泊水源热泵），湖水源热泵见图2；

③中水、污水水源热泵；

④海水水源热泵。

（3）地源热泵（地埋管地源热泵，土壤源热泵、大地耦合式热泵）

①竖直埋管式地源热泵，见图3；

②水平埋管式地源热泵；

③竖直埋管＋水平埋管式地源热泵。

（4）水环热泵①夏季制冷机与冷却塔运行正常供冷；

②冬季设一水箱，将水加热至13℃～15℃，再用热泵升温后供热。

图1 地下水地源热泵图2 湖水源热泵图3 地埋管地源热泵

1.3 各种空调用热泵的发展前景

上述四种热泵在中央空调中均有应用与发展，其中空气源热泵（一般称做风冷式热泵）最早应用于空调中，目前应用范围和数量在不断地增长，尤其当技术发展到在冬季室外气温降至－15℃～-20℃时仍能开机，这就为风冷式热泵创造了无限广阔的应用前景。水环热泵最适宜用于有内、外分区的大型建筑物的外区需供热时，内区因散热量（包括设备与人体、照明等的散热量）无法排除而须同时供冷的环境，因而发展也较快。但其发展速度远赶不上地下水地源热泵（下称地下水热泵）和地埋管地源热泵（下称地埋管热泵）的发展速度。地下水热泵和地埋管热泵是当前发展最快的二种热泵。近年来有如雨后春笋般的突飞猛进的发展，其应用数量与发展速度是其他型式热泵无法比拟的。

2 两种地源热泵的供冷、供热原理

地下水热泵和地埋管热泵的供冷、供热原理基本相近，但也有所不同，现做如下分析。

2.1 地下水热泵的供冷、供热工作原理

地下水热泵须打出深度为80～600m的深井（井深依各地地层结构而异），开采出温度大约为13℃～30℃的井水，井水夏季做为热泵机组冷凝器的冷却水，而冬季则做为热泵机组蒸发器的热源水。为防止地面沉降还须有回灌井。一般在抽水井抽水的同时，还须将用过的井水回灌到另外1～2口与抽水井同含水层的回灌井的地层中去。

夏季供冷时，蒸发器产生7℃左右的冷水，供给空调末端设备。在末端设备中吸收热量，水温升至12℃左右再进入蒸发器。而水温为13℃～30℃的地下井水作为冷却水，在冷凝器中吸收热量使水温升高约5℃左右以后回灌到地下，水在渗流过程中又降至13℃～30℃，然后再被抽取上来循环使用。如图4所示。

图4 地下水热泵夏供冷原理图5 地下水热泵冬供热原理

冬季供热时，热泵机组中的冷凝器管口与空调末端设备相接，而蒸发器的管口与井水水源系统相接。冬季运行时，用户端的空调循环水，由于吸收了冷凝器的排热而升温，其温度可达45℃～60℃。另外，在水源水系统中水温为13℃～30℃的地下井水由于在蒸发器中失去热量，使水温降低约5℃左右再回灌到地下，水在渗流过程中吸收地下岩土热量，温度又升至13℃～30℃，然后再被抽取上来循环使用。如图5所示。

2.2 地埋管热泵的供冷、供热工作原理

地埋管热泵与地下水热泵不同的是，须在许多间距为5～8m，深度约为100m～300m左右的井孔中埋入∮32mm的PE管（竖直埋管式）。PE管与机房中的设备相连接，而将水注水PE管系统。运行时水系统为闭路循环，只依靠PE管换热器及管中的循环水与地层岩土的热交换实行夏供冷、冬供热。其运行模式与地下水热泵相近。即夏季供冷时，地源水做为热泵机组的冷却水进出冷凝器，把冷凝热带回地下的PE 管换热器中的循环水，使之与岩土进行热交换。与此同时要使热泵机组的蒸发器产出约7℃的冷水达到夏季供冷的效果。而冬季供热时，地源水则做为热泵机组的热源水进出蒸发器，由于放出热量而降低了温度的地源水又回到地下PE管换热器中，并使之与岩土进行热交换。与此同时热泵机组的冷凝器会产出45℃～60℃的热水进行供热。

3 两种地源热泵的环保性与节能性

近年来，地下水热泵和地埋管热泵的发展势头迅猛。这是基于它们所具有的一系列共同优点。而最主要的优点是其环保性和节能性。现举天津采用地埋管热泵实施冬季供热、夏季供冷的一项目为例予以说明（建筑面积3700㎡）。

3.1环保性

（1）地埋管热泵的环保性

地埋管热泵冬季供热与燃煤锅炉供热进行比较，可看出地埋管热泵系统冬季运行时能大量减少污染物排放量，使冬季的城市空气更清新。其全年排放量减少值见表1。

表1 地埋管地源热泵减少污染物排放量

（2）地下水热泵的环保性

就环保性而言，地下水热泵与地埋管热泵都具有相同的效果。

3.2节能性

（1）地埋管热泵的节能性

地埋管热泵按夏季供冷期100天，冬季供热期120天进行实测与汇总的数据说明，低运行费的优势很明显，其值见表2。低运行费用说明节约了大量电能。

表2 地埋管热泵与常规空调、采暖运行费比较（元/㎡）

注：表中采暖费为天津市2005年收费标准

（2）地下水热泵的节能性

据2003～2004年夏、冬二季，对天津市运行的6个地下水热泵系统的运行费用调查结果：地下水热泵的夏冬季运行费用合计为28.01元/㎡。可见这两种快速发展的地源热泵的运行费用均很接近，说明节能性均很好。总之，这两种地源热泵都具有共同的优点。

4 两种地源热泵的技术成熟性与造价

4.1技术成熟性

（1）地埋管热泵的技术成熟性