环保节能地源热泵技术应用研究

环保节能地源热泵技术应用研究

摘要：在我国全面建设资源节约型、环境友好型社会的进程中，地源热泵这一集节能、环保为一体的新技术，将越来越受到人们的重视与青睐。本文分析了环保节能地源热泵的基本特征，研究探讨了环保节能地源热泵技术的应用要点。

关键词：环保节能地源热泵技术应用

中图分类号：te08 文献标识码：a 文章编号：

随着人们环保意识和节能意识的不断增强，在空调领域寻找清洁可再生能源正日益成为研究热点。地源热泵作为新型可再生能源。很好地满足了节能的需求，具有供能稳定可靠。不受燃料短缺和价格波动影响等特殊优势。并且具有非常明显的清洁环保性能减排效果显著。经过多年的实践，地源热泵在空调领域应用的技术可靠性、经济节能与环保性能已经在诸多工程中得到了验证，具有广阔的发展前景。

一、环保节能地源热泵的基本特征

1、结构

地源热泵系统主要由室外地源换热系统、热泵机组和室内空调末端系统3 部分组成。热泵机组为主动力部分，由制冷压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀等组成回路。其中压缩机是热泵系统的心脏，通过电能驱动压缩机，不断地压缩和输送循环工质从低温低压处到高温高压处，且周而复始地进行循环；蒸发器是输出冷量的设备，它的作用是使经节流阀流入的制冷剂液体蒸发，以吸收被冷却物体

的热量，达到制冷的目的；冷凝器是输出热量的设备，将从蒸发器中吸收的热量及压缩机消耗功所转化的热量，在冷凝器中被冷却介质带走，达到制热的目的；膨胀阀或称节流阀对循环工质起到节流降压作用，并调节进入蒸发器的循环工质流量。

2、供热原理

图1 地源热泵供热系统原理

图1为地源热泵供热系统原理。其工作原理如下：首先在制冷回路内充注制冷剂。压缩机通入三相交流电高速旋转，将低温低压制冷剂气体吸入压缩机。经压缩后变成高压高温气体，该气体经冷凝器被冷却水冷却，又变成中压中温的制冷剂液体，该液体经过膨胀阀节流减压后送入蒸发器。由于蒸发器连接在压缩机的吸气口上，压缩机不停地吸入蒸发器的制冷剂气体，使得进入蒸发器的大量制冷剂压力减低，制冷剂进一步大量蒸发。由于蒸发器另一侧与室外地源换热系统的地下潜水泵连接，所以当地下水大量流过蒸发器时，被蒸发的制冷剂带走地下水中的大量热量。这些低温热量通过被蒸发的制冷剂吸收变成了制冷剂热量，又被源源不断地吸入压缩机。经压缩机压缩之后，变成为80~90 ℃的高温气体，这些高温气体在通过冷凝器冷却的同时，把大量的热量传给了冷凝器另一侧，即室内空调末端系统，也称采暖系统。制冷剂气体被冷却的过程，也可以看做是将高温热量传递给冷却系统的过程，或者是对采暖系统的加热过程，采暖系统水温一般为50~60 ℃，通过室内空调

末端系统的风机盘管或暖气片向房间供热。

从能量转换角度来讲，热泵机组压缩机将电能变为机械能，再将机械能变成为热能。压缩机输出的总热能为压缩机电功率与压缩机吸收来自地下的热能之和，而地下热能远远大于压缩机的电功率。一般从地下水中提取的热能是压缩机电功率产生热能的4~5 倍，因此热泵机组的能效比约为4.5，而电锅炉的能效比为0.9~0.98。3、制冷原理

图2地源热泵制冷系统原理

图2 是地源热泵制冷系统原理。热泵的制冷工作原理与图1 所示相同，制冷剂回路保持不变。但通过转换阀门将室内空调末端系统（即制冷回路）连接在蒸发器的吸热端；室外地源换热系统连接在冷凝器的放热端。热泵机组制冷时，压缩机将吸热端吸入的低温低压制冷剂气体经压缩后变成高温高压制冷剂气体排入冷凝器后，被接在冷凝器侧地下水系统冷却变成中温中压制冷剂液体。制冷剂液体通过膨胀阀节流减压后，进入蒸发器进一步膨胀、蒸发、吸热，使制冷剂由液体变成气体又被压缩机吸热端吸入。再经压缩机压缩后，又变成高温高压制冷剂气体排入冷凝器，同时也将蒸发器侧的室内空调末端系统（即空调房间）的热量源源不断地经放热端的冷凝器排入地下水中。吸收了水中热量的制冷剂液体蒸发后又由液态变成气态被压缩机吸入、压缩、放热。周而复始、循环往复完成了制冷全过程。

将地源热泵系统制冷时产生的废热回收，可制成50~55 ℃生活用

热水，节省用于制热水耗用的燃油或煤，对空气无污染，达到制热水不耗能的节能效果；同时由于制出的冷冻水可补充到回水系统中，以降低回水系统的回水温度，从而提高了制冷效率，降低了制冷系统的耗电量。

二、环保节能地源热泵技术的应用要点

1、关于地下水源开采、回灌和土壤换热器的比较

近几年来地源热泵的部分形式是地下水源开采---回灌形式的水源热泵系统。这种形式面临的最大问题是回灌问题。华北、华东地区的地下水位下降，地面沉降问题一直很严重，多年来面临严重的地沉问题，在利用向地下回灌来控制地面沉降的技术已用多年，积累了很多经验教训。

地源热泵土壤换热器有多种形式，如水平埋管，竖直埋管等。这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境，在中国采用竖直埋管更显示出其优越性。节约用地面积，换热性能好，可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能，甚至可在建筑物桩基中设置埋管，见缝插针充分利用可利用的土地面积。

采用竖直埋管的土壤换热器形式，不用开采和回灌地下水，没有破坏自然环境的担忧。另外的优点是系统运行更加稳定、安全，没有需要更新和维修潜水泵的烦恼。

2、冬季避免采用防冻液介质

很多资料中介绍了防冻液的种类、性能等。在我国华北及以南区

域，因为地下温度不是很低，只要设计足够的土壤换热器数量，可以在使用水作为介质的情况下满足需要。尽量不使用防冻液，避免使用不慎造成环境问题和因温度太低降低热泵效率。

3、系统的管材必需采用高强度惰性材料

土壤换热器系统设计要保证水系统平衡，避免采用室外阀门调节的方式。

4、关于竖直埋管埋设单u 型或双u 型管的问题

从工程实践中看，总体来说单u 型管方式优于双u 型管方式，但是同样的换热量单u 型管需要更多的孔数而增加了建设成本。5、系统设计参数讨论

关于( 冷) 热源侧水流量，要由最大得热量和最大释热量确定的。埋管中水流速的选取取决于埋管循环流程长度，埋管材料，管径大小，当地地源条件以及机组的特性要求。一般，如提高水流速度可适当增加换热系数，强化换热量，减小换热面积和换热管的耗材，但流速太快会增加循环水泵能量消耗。一般可取流速为0.65~ 1. 5m/s。具体可当地条件进行优化分析与设计。优化设计时其复合能耗与埋管长度、埋管材料、管径、地源温度、地源热指标、机组特性等因素有关。在机组选择上，设定地埋管进水温度，根据测井测出的进出水温差推算出地埋管出水温度，进而确定热泵机组冬季的蒸发温度和冷凝温度。总之，我国幅员辽阔，在不同地区气候条件差异很大，其负荷也迥然不同。因此不能照搬国外的技术成果，而要开发适合我国气候特点的技术。