淺析采暖空調(diào)領(lǐng)域地源熱泵技術(shù)及應(yīng)用優(yōu)勢

1 熱泵技術(shù)
1.1 熱泵的概念
熱泵，就是可以把熱量由低溫?zé)嵩摧斔偷礁邷責(zé)嵩吹臋C械設(shè)備。熱泵是消耗一定高品位能量，將低溫?zé)崮芴嵘秊檩^高溫度的熱能。如果說熱泵在運行過程中消耗的高品位能量為Q1，回收的低品位能量為Q2，那么輸出的較高品位能量Q為Q1和Q2之和，熱泵輸出的能量Q與其所消耗的能量Q1之比，即熱泵的輸出功率與輸入功率之比，稱為熱泵的性能系數(shù)，即COP值。COP=（Q1+Q2） /Q1。顯然，此COP值是大于1的。而我們知道，鍋爐、電加熱器等普通制熱裝置的制熱性能系數(shù)永遠(yuǎn)小于1。
1.2 熱泵的分類
按低溫?zé)嵩吹膩碓催M行分類，熱泵可分為地源熱泵、污水源熱泵、工業(yè)余熱源熱泵等。按熱泵裝置原理進行分類，熱泵可分為壓縮式熱泵、吸收式熱泵、吸附式熱泵。采暖和空調(diào)工程中主要采用壓縮式地源熱泵。
1.3 壓縮式熱泵的工作原理
在冬季供熱時，按制熱工況運行，壓縮機排出的高溫高壓蒸汽狀的制冷劑流向冷凝器，在冷凝器中放熱，將熱量傳給供熱介質(zhì)，然后通過膨脹閥節(jié)流降壓，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱，吸收室外介質(zhì)的熱量。熱泵制熱原理如圖1所示。在夏季空調(diào)降溫時，按制冷工況運行，由壓縮機排出的高壓蒸汽，經(jīng)換向閥進入冷凝器，制冷劑蒸汽被冷凝成液體，向外放熱，經(jīng)節(jié)流裝置進入蒸發(fā)器，并在蒸發(fā)器中吸熱，將冷凍水冷卻。蒸發(fā)后的制冷劑蒸汽，經(jīng)換向閥后被壓縮機吸入。熱泵制冷原理如圖2所示。

圖1 熱泵制熱原理

圖2 熱泵制冷原理
1.4 地源熱泵的分類
1）地下水源熱泵：地下水源熱泵技術(shù)分為直接式和間接式。直接式將地下水直接供給熱泵機組，如圖3（a）所示。間接式使用板式換熱器把水源熱泵的水源系統(tǒng)與地下水分開，如圖3（b）所示。

圖3（a） 地下水源直接式系統(tǒng)

圖3（b） 地下水源間接式系統(tǒng)
2）地表水源熱泵：地表水源熱泵技術(shù)采用比較好的地表水資源。地表水換熱系統(tǒng)分為閉式和開式系統(tǒng)，開式系統(tǒng)又分為直接式和間接式系統(tǒng)。閉式地表水換熱系統(tǒng)將塑料盤管拋入地表水源中，盤管內(nèi)的中介水與地表水熱交換，因此不需設(shè)置地表水取水口和排放口，對地表水不產(chǎn)生任何影響。如圖4所示。開式地表換熱系統(tǒng)直接抽取地表水，送入換熱器或直接送入熱泵機組進行換熱，開式系統(tǒng)又分為開式直接系統(tǒng)和開式間接系統(tǒng)。如圖5（a）、圖5（b）所示。
3）土壤源熱泵：土壤源熱泵是把換熱管埋在地下土壤中，讓循環(huán)水在換熱管中流動，循環(huán)水經(jīng)換熱管管壁與土壤進行熱交換。夏季地埋管換熱器將熱泵機組產(chǎn)生的熱量釋放到土壤中。冬季從土壤吸熱并將熱量提供給熱泵機組。

圖4 地表水源閉式系統(tǒng)

圖5（a） 地表水源開式直接式系統(tǒng)

圖5（b） 地表水源間接式系統(tǒng)
1.5 地源熱泵的系統(tǒng)組成
地源熱泵系統(tǒng)主要由能量提升系統(tǒng)、能量采集系統(tǒng)和能量釋放系統(tǒng)三部分組成。三個系統(tǒng)之間靠水或空氣進行換熱。
1）能量提升系統(tǒng)。
能量提升系統(tǒng)是指熱泵機組，是地源熱泵系統(tǒng)的核心設(shè)備，一般采用壓縮式熱泵。
2）能量采集系統(tǒng)。
能量采集系統(tǒng)是室外地?zé)崮軗Q熱系統(tǒng)，主要有地下水系統(tǒng)、地表水系統(tǒng)和地埋管系統(tǒng)。
a.地下水換熱系統(tǒng)：地下水換熱系統(tǒng)主要由抽水井、回灌井、除砂器、管道閥門、潛水泵等組成，將地下水提取出來，完成換熱后再回灌到含水層中。
b.地表水換熱系統(tǒng)：閉式地表水換熱系統(tǒng)主要采用湖水、水庫水，盤管外表面*浸泡在水體中換熱。開式地表水換熱系統(tǒng)直接抽取地表水進行換熱。
c. 地埋管換熱系統(tǒng)：地埋管換熱系統(tǒng)主要有地埋管換熱器、循環(huán)水泵、定壓補水裝置和循環(huán)管路組成。地埋管換熱器是由埋在地下的高密度聚乙烯管組成的封閉循環(huán)回路。
3）能量釋放系統(tǒng)。
能量釋放系統(tǒng)即室內(nèi)末端循環(huán)系統(tǒng)，與其他采暖空調(diào)系統(tǒng)一致，再此不做贅述。
2 地源熱泵技術(shù)的優(yōu)勢
2.1 經(jīng)濟
地源熱泵系統(tǒng)可實現(xiàn)對建筑物的供熱和制冷，還可供生活熱水，一機多用。一套系統(tǒng)可以代替原來的鍋爐加制冷機的兩套裝置或系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)的另一個顯著的特點是大大提高了一次能源的利用率，因此具有節(jié)能的優(yōu)點。地源熱泵的核心技術(shù)就是利用地源（土壤、地下水、海水、湖水）溫度夏季比環(huán)境溫度低，冬季比環(huán)境溫度高的特點，實現(xiàn)制冷、制熱的功能。本技術(shù)自研究以來，已成功的應(yīng)用于各類建筑，實現(xiàn)了建筑物夏季空調(diào)、冬季采暖、全年供熱水的功能，與常規(guī)“制冷機+鍋爐”系統(tǒng)相比，地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運行效率要高約40%~60%。另外，地源溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，整個系統(tǒng)的維護費用也較鍋爐－制冷機系統(tǒng)大大減少，保證了系統(tǒng)的性和經(jīng)濟性。
2.2 節(jié)能
地源熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量來自于地源能和建筑物室內(nèi)排放的廢熱能，而這部分熱能主要來源于太陽能和建筑物內(nèi)設(shè)備與人體排放的熱量，因此，地源熱泵系統(tǒng)主要是充分利用了可再生能源。利用地源熱泵技術(shù)制冷，與傳統(tǒng)中央空調(diào)技術(shù)相比可降低能耗20%以上。
2.3 節(jié)水
地下水和地表水做為低位熱源時，地源熱泵系統(tǒng)僅提取水中的能量，換熱后水全部被送回去，不消耗水。
2.4 環(huán)保
地源熱泵系統(tǒng)的運行沒有煙氣、廢水、廢渣的排放，也無燃料的堆放場地。同時由于減少了制冷系統(tǒng)向環(huán)境排放的熱量，因此，可降低建筑物對環(huán)境熱污染造成的熱島效應(yīng)，對周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響不大。
3 結(jié)論
地源熱泵被稱為“21世紀(jì)的一項以節(jié)能和環(huán)保為特征的具有發(fā)展前途的綠色空調(diào)技術(shù)”。在水文、地質(zhì)、工程場地滿足要求的情況下，應(yīng)盡可能地將地源熱泵技術(shù)運用到采暖空調(diào)工程中。