地源热泵技术在实际应用中的节能效果分析
北京华商能源管理有限公司 余永忠
摘要：随着我国改革开放的进程不断加快，人们的生活水平和文化水平也不断提高。地源热泵技术逐渐成熟，并且地源热泵的应用范围越来越广泛，在实际的应用过程中，地源热泵的节能效果良好。本文对地缘热泵技术在实际供暖中的应用进行了分析，对地源热泵的清洁、环保等优点进行了分析。希望本文的论证可以对今后的应用有借鉴意义。
关键字：地源热泵技术、地源热泵节能、清洁环保
- 前言
现阶段我国处于工业、经济高速发展的阶段。我国的建筑行业也迎来了新的春天，但是在实际的建筑建造过程中，并不能很好的做好节能工作。而地源热泵是一种利用其他能源达到节能效果的新技术，把地源热泵技术引用到我国的建筑施工中，可以有效的节约能源，减少成本，降低能耗，促进建筑行业的发展。
- 地源热泵技术原理
地源热泵系统的最大特点是空调系统的热交换器埋在地下，并且水源以塑料管环路的持续、循环流动为载体，并且塑料管路具有高强度、高密封等性能。地源热泵可以实现暖通空调与土壤的热交换，当夏季来临，天气气温较高的情况下，地源热泵设备可以把建筑物所吸收到的热能转到地下进行存储，从而对建筑进行降温的目的。在冬天气温较低的情况下，地源热泵系统又能起到相反的作用，即将土壤在夏季储备的热能量转移到建筑物内，达到保温的效果，并且把建筑的冷气转移到低下进行储存，为建筑供暖。通过对自然现象的观察可知，热量也总是从高温流向低温，而通过热泵可以把热能从低温送到高温。热泵的工作原理就是把热能提升，对环境中存储的热量进行控制。一般情况下，整个热泵装置所消耗的能量为其供热量的三分之一，或者耕地，这是热泵的一大节能特点。除此之外，根据热力学的第二定律可知，压缩机消耗的电能可以起到补偿作用，通过循环不断从低温中吸热，进而向高温环境中释放能量，然后不断进行良性循环。热泵与制冷的原理与系统的设备组成、功能是一致的，其中蒸发器、节流阀、冷凝器、压缩机组成了蒸汽压缩式热泵，其工作原理与制冷原理一致，系统设备的组成与功能相一致。
三、地源热泵的系统分类及特点
地源热泵系统一般是以水源热泵机组运行，从低位热源中提取热量，采用高品位能源将其提升至满足用户要求的温度水平。根据水源的来源不同，可进一步将地源热泵系统分为：土壤源热泵系统、地下水源热泵系统、地表水、海水源热泵系统、污水源热泵系统。以下说的地源热泵系统均是指土壤源热泵系统，它和其它几种热泵系统的不同之处，就是该系统和土壤进行进行热交换是在一个封闭PE管中，与外部的水系统不发生直接接触，这样也增加了系统的可靠性。一般是水平安装在地沟中，或是以U形管状垂直安装在竖井中，不同的管沟或管井中的热交换器并联连接，再通过集管汇集进入建筑物内部至热泵机组的循环管路，在北方温度较低的地区，为了防冻可在系统中加入防冻液。
四、地源热泵技术在暖通工程中的应用模式
1、单一地源热泵
地下水热泵是利用水与地能（地下水）进行冷热交换来作为地源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水中，此时地能为“冷源”。地下水热泵属于地源热泵中的一个重要分支，也是至今为止应用最广泛的地源热泵技术之一。因为地下深井水位的位置处于地层中，其深度比较少，甚至一些深井水的水温可以常见不变，因此热泵运行的优势明显。
2、复合地源热泵
（一）地源热泵+冰蓄冷模式
夏季运行，机组在晚上不需要供冷时，可以启动蓄冰系统，将冷量储存在蓄冰槽中，白天通过融冰来承担部分冷负荷，从而降低了主机的负荷。夜间机组运行能享受到低谷电价的优惠政策，从而降低了运行成本，也减少了地下换热的负担，相应的地下换热器工程量减少，从而也降低了系统的初投资。同时，它通过制冷提供了附加产品——热水，它可以免费为我们提供生活热水，达到节能的目的。
（二）地源热泵+太阳能
在地源热泵的冬季运行时，太阳能集热器是地源热泵的辅助热源。太阳能可以减少换热器的运行负担，提高制热的效率。除此之外，如果不需要供暖时，太阳能集热器可以制造生活用水。而在过渡季节，太阳能集热器可以全部用来为生活供水。
- 地源热泵+冷却塔（或锅炉）
将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，混合系统与分散系统非常类似，只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。南方地区，冷负荷大，热负荷低，夏季适合联合使用地源和冷却塔，冬季只使用地源。北方地区，热负荷大，冷负荷低，冬季适合联合使用地源和锅炉，夏季只使用地源。这样可减少地源的容量和尺寸，节省投资。分散系统或混合系统实质上是一种水环路热泵空调系统形式。
- 地源热泵在实际应用中的节能效果分析
根据地域、建筑类型、地源热泵系统方式的不同，地源热泵供暖与传统燃煤锅炉供暖相比节能25%—50%，如对北京市11个不同类型建筑地源热泵项目2003—2004年冬季运行费用调查结果表明，7项工程低于燃煤采暖（18.5元/㎡），所有被调查项目的采暖费均低于燃油、燃气和电锅炉供暖价格；根据地域、建筑类型、地源热泵的系统结差异的不同，对地源热泵供暖与传统的供暖方式相比，可以平均节能百分之二十到五十，而与传统制冷机组比较，则可以节能百分之十到三十。
下面以一个实际案例比较地源热泵系统和其它采暖（或空调）系统的经济性，该案例是位于北京地区的一栋410平方米别墅，需要对该别墅的空调工程进行方案优化设计。
空调计算设计参数如下表
| 项目
名称 |
温度℃ | 湿度≤% | 负荷标准（W/ m2） | 带新风的负荷标准（W/ m2） | ||||
| 冬季 | 夏季 | 冬季 | 夏季 | 冷负荷 | 热负荷 | 冷负荷 | 热负荷 | |
| 别墅 | 20 | 26 | 45 | 55 | 90 | 75 | — | — |
- 供暖热负荷：
- Qr = Fq/1000=410×75/1000=23kW
- 式中：F—供暖面积（m2）
- q—供暖热指标（75W/ m2）
- 总冷负荷确定
- ①供冷总负荷：考虑同时使用系数，取75%左右。
- Ql = 0.75×Fq/1000=0.75×410×90/1000=27.7 kW
- 式中：F—供冷面积（m2）
- q—供冷冷指标（90W/ m2）
建筑物冷暖负荷比例的天数
| 负荷百分数 | 夏季运行天数 | 冬季运行天数 |
| 0～25% | 50 | 25 |
| 25～50% | 30 | 35 |
| 50～75% | 25 | 35 |
| 75～100% | 15 | 25 |
运行费用分析：
计算条件：运行天数为夏季120天，冬季为120天；空调平均每天运行时间为16小时；白天和夜晚平均电价按0.44 /kwh计算。
- 地源热泵运行费用：
夏季：（25%×50+50%×30+75%×25+100%×15）×16×0.44×7.0=3018元
水泵耗能：（0. 5+0.55）×16×120×0.44=887
冬季：（25%×25+50%×35+75%×35+100%×25）×16×0.44×8.4=4435.2元
水泵耗能：（0. 5+0.55）×16×120×0.44=887
即：夏季年制冷运行费用3905元，冬季年制冷运行费用5322.2元。
夏季每平方米建筑面积供冷费用为9.52元/m2，建筑面积供暖费用为12.98元/m2。
- 燃气锅炉运行费用：
1、热负荷：Qr=42470kw/年
2、燃气锅炉年燃料消耗量：
天然气热值：q = 8470Kcal/m3
锅炉效率：η= 0.88
B = 42470×860/（8470×0.88） =4900m3/年
3、天然气年费用：
每m3天然气北京现行市场价计q1 = 1.8元/ m3
B1 = B·q1 = 4900×1.8=8820元/年
4、折合每m2采暖费
B2 = (B) =8820/410= 21.5元/m2·年
地源热泵机组和其它方式中央空调的比较（以41m2别墅为例）
| 冷热源方式 | 初投资（万元） | 运行费用（元/平米·年） | 优点 | 缺点 |
| 集中锅炉+分体空调 | 7.62 | 39 | 初投资低 | 运行管理复杂，有环境污染，锅炉房及煤场渣场占用土地，隐性增加了初投资，并影响小区美观，采暖费收取有难度。 |
| 集中锅炉+户式中央空调 | 12.01 | 37.6 | 初投资高，运行管理复杂，有环境污染，锅炉房及煤场渣场占用土地，影响美观。采暖费收取有一定难度。 | |
| 燃气壁挂炉+分体空调 | 7.02 | 43 | 初投资低，运行可由用户自行调节，可根据销售情况，分期投入设备 | 分体空调的室外机，破坏建筑美观。 |
| 燃气壁挂炉+户式中央空调 | 12.23 | 41.6 | 可根据销售情况，分期投入设备 | 初投资高，运行费高 |
| 分户水源热泵 | 11.02 | 22.5 | 节能环保，运行费用低，用户可自行调节，可根据销售情况，分期投入设备 | 初投资高，需要当地的地质条件满足打井要求（打井需地方政府批准；受国家政策制约） |
- 地源热泵的环境效益和社会效益
地源热泵系统没有氮氧化物、二氧化硫和烟尘的排放，真正做到了无污染；如果全国每年在2000万平方米建筑中推广应用地源热泵空调系统，则可替代70万吨左右标煤，或5.2亿立方米左右天然气，削减约470吨氮氧化物和约40吨颗粒物的排放。
地源热泵机组与传统空调相比耗电少，造成直接或间接的污染就小，设计良好的地源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比，减少30%左右。地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上。地源热泵技术在减少环境污染的同时可有效减少目前困扰社会发展的温室效应，避免酸雨的产生，阻止全球气候变暖的走势，有利的缓解城市热岛现象的发生，产生巨大的环境效益和社会效益。
七、结束语
总之，地源热泵技术在实际的应用中单位能耗都比较低，并且节能率相对较高，与传统的供暖或空调系统相比，在经济性、环境及社会效益上都存在巨大的发展优势，这种新型的暖通技术在未来有广泛的市场空间和应用空间，因此要加强对地缘热泵技术的研究和探讨，促进我国的节能建设和可持续发展，促进建筑行业和暖通节能的发展。
参考文献
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[2] 吕悦,莫然,周沫,邓海燕. 中国地源热泵技术应用发展情况调查报告(2005～2006)[J]. 工程建设与设计. 2009(09)
[3] 徐伟 地源热泵技术手册 2011.1
