文/屈高陽(yáng)　 三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院　 河南三峽門(mén)　472000

住宅中地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用

文/屈高陽(yáng) 三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南三峽門(mén)472000

隨著生活水平的提高，人們對(duì)生活環(huán)境，生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高，地?zé)岜每照{(diào)系統(tǒng)在建筑界的使用隨之而生，并有著高效節(jié)能、穩(wěn)定可靠，維護(hù)費(fèi)用低，無(wú)環(huán)境污染等多方面優(yōu)點(diǎn)，在眾多使用人群中，住宅用戶(hù)占市場(chǎng)比例中的一大部分，本文從住宅的角度出發(fā)，研究地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在住宅中的應(yīng)用原理，優(yōu)缺點(diǎn)以及未來(lái)的發(fā)展前景。

住宅；地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理；優(yōu)缺點(diǎn)；發(fā)展前景

一、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作機(jī)制

（一）地?zé)嵩幢每照{(diào)系統(tǒng)的含義與工作原理

熱泵中包括一種新型能源利用技術(shù)，即地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，其工作能量是利用淺層地能實(shí)現(xiàn)制冷供熱，是一種熱泵式的設(shè)備，它可以實(shí)現(xiàn)冷量和熱量之間的轉(zhuǎn)換是依賴(lài)卡諾循環(huán)原理和逆卡諾循環(huán)原理。地源熱泵通俗的說(shuō)是將土壤中的冷量和熱量轉(zhuǎn)移，主要目的在于實(shí)現(xiàn)空調(diào)制冷和采暖。地?zé)嵩幢靡粋€(gè)年度還能形成一個(gè)冷熱循環(huán)，土壤內(nèi)蘊(yùn)含巨大的儲(chǔ)冷儲(chǔ)熱能力，夏季建筑物所使用的冷量來(lái)源于地下，冬季地源將熱量由地下轉(zhuǎn)入建筑物供人利用，如此循環(huán)往復(fù)。

（二）地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在住宅中的應(yīng)用機(jī)制

1.地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制冷模式在居住環(huán)境中的應(yīng)用

地源熱泵機(jī)組的內(nèi)部裝有壓縮機(jī)裝置，它可以通過(guò)對(duì)冷媒作用使機(jī)組處于制冷狀態(tài)，促進(jìn)氣體與液體之間的轉(zhuǎn)化與循環(huán)，風(fēng)機(jī)盤(pán)管循環(huán)所產(chǎn)生的熱量被冷媒吸收，加快蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)，冷媒循環(huán)工作和冷凝器當(dāng)中的冷媒凝結(jié)一同作用，隨后冷媒所產(chǎn)生的熱量由水路循環(huán)帶向地水、地下水和土壤當(dāng)中等。經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)盤(pán)管將室內(nèi)熱量向地下水中傳遞的過(guò)程中，房間供冷溫度以13℃最適宜。

2.地源熱泵供暖模式在住宅環(huán)境下的應(yīng)用

當(dāng)?shù)卦礋岜脵C(jī)組處于供暖狀態(tài)時(shí)，調(diào)整換向閥可改變冷媒流動(dòng)方向，此時(shí)壓縮機(jī)對(duì)冷媒做功。來(lái)自于地下的水路循環(huán)可以吸收土壤里、地表水、地下水中部分熱量，利用冷凝器內(nèi)冷媒蒸發(fā)的工作原理，將水路循環(huán)的產(chǎn)熱融入冷媒中，冷媒循環(huán)工作時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)的冷媒冷凝就可對(duì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管循環(huán)的產(chǎn)熱進(jìn)行吸收。所以，地下熱量被永不停歇的輸入室內(nèi)，室溫?zé)犸L(fēng)超過(guò)35℃，為房間提供暖源。

二、住宅中地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理的利弊

（一）住宅中地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理的益處

1.可再生資源

地源熱泵的工作機(jī)制是能夠進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的制冷供暖的空調(diào)系統(tǒng)，它利用地球所儲(chǔ)的太陽(yáng)能資源為冷熱源，充分利用可再生清潔能源技術(shù)。地表土壤和水體形成一個(gè)天然巨大的太陽(yáng)能集熱器，它可以收集來(lái)自于太陽(yáng)能輻射量能量的500倍以上，地源熱泵還是一個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)，地表土壤和水體共同維持能量接受與散發(fā)的平衡，其所儲(chǔ)存的巨大的太陽(yáng)能與地能是地源熱泵技術(shù)的能源保障。

2.高效節(jié)能性

地源熱泵機(jī)組的工作溫度高于環(huán)境空氣溫度，相比而言，地源熱泵機(jī)組在冬季可利用土壤或水體的溫度范圍為12-22℃，地源-熱泵循環(huán)系統(tǒng)中能效隨著蒸發(fā)溫度的提高而上升；機(jī)組在夏季可利用土壤或水體溫度的范圍為18-32℃，空氣溫度相比低于環(huán)境空氣溫度，制冷系統(tǒng)的冷凝溫度也逐步降低，風(fēng)冷式與冷卻塔式制冷效果與效率明顯低于地源熱泵式，因此也節(jié)省了30%-40%的費(fèi)用。投入1KW的電能可獲得四倍以上的熱能或冷量。

3.環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益提高

地源熱泵機(jī)組運(yùn)行的過(guò)程中，具有耗水少、不污染水、不需要鍋爐、冷卻塔、還可以節(jié)約堆放燃料廢物的場(chǎng)地，大大提高了環(huán)保效益。另一方面，土壤源地源熱泵系統(tǒng)遭到廢棄時(shí)，地下的熱交換管道難以取出處理，因此造成打井區(qū)域的地下污染，地源熱泵機(jī)組在電力消耗方面比空氣源熱泵少40%以上，比電供暖少70%以上，其制熱系統(tǒng)將燃?xì)忮仩t效率提升50%左右，高出燃油爐效率的75%。

4.一機(jī)多用，變通力強(qiáng)

地源熱泵系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中可提供制冷供暖和生活熱水，一機(jī)多種功能，整套系統(tǒng)是鍋爐和空調(diào)兩個(gè)系統(tǒng)功能的地源熱泵系統(tǒng)對(duì)要求同時(shí)要求具有供熱和供冷功能的建筑物頗具優(yōu)勢(shì)，節(jié)省能源的同時(shí)也減少了設(shè)備的初投資。地源熱泵系統(tǒng)可適應(yīng)于賓館，居住小區(qū)，公寓，廠(chǎng)房，商場(chǎng)，辦公樓等建筑地區(qū)，小型地源熱泵系統(tǒng)也可為別墅住宅提供制冷，供熱方便。

5.自動(dòng)運(yùn)行

地源熱泵系統(tǒng)的工況穩(wěn)定，因此其設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單劃一；機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，售后維護(hù)費(fèi)用少；可操控性強(qiáng)，壽命長(zhǎng)。

（二）住宅中地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工作原理及弊端

事物具有兩面性，地源熱泵系統(tǒng)受到來(lái)自不同地區(qū)以及不同用戶(hù)，不同國(guó)家的能源政策和燃料價(jià)格變動(dòng)等因素的影響，在實(shí)際工作中也表現(xiàn)出部分缺點(diǎn)；一次性投資及運(yùn)營(yíng)費(fèi)根據(jù)用戶(hù)不同而有所差異；常年開(kāi)采地下水，地源熱泵系統(tǒng)會(huì)受到地下水水資源的制約，地源熱泵系統(tǒng)使用過(guò)的地下水可以二次回收灌溉，對(duì)水體無(wú)害。

地源熱泵技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的問(wèn)題是“土壤熱不平衡”。南方地區(qū)一年四季多為供冷，熱量多注入地下；北方地區(qū)冬季供暖需求增大，熱量多來(lái)源于土壤，長(zhǎng)此以往，土壤溫度逐漸失衡，生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞。夏熱冬暖地區(qū)對(duì)夏季需供冷量大于冬季供熱量，其他熱量經(jīng)由冷卻塔冷卻，少部分進(jìn)入余熱回收系統(tǒng)用于生活供水，這對(duì)緩解土壤熱不平衡問(wèn)題大有裨益。

三、與其他制冷供熱系統(tǒng)相比，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在住宅中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

地源熱泵機(jī)組在冬季可以利用土壤或者水體溫度范圍為12-22℃，其溫度較大于環(huán)境空氣溫度，熱泵循環(huán)的能效隨蒸發(fā)溫度的提升而逐步增加；熱泵機(jī)組在夏季可利用土壤或者水體溫度范圍為18-32℃，比環(huán)境空氣溫度稍低，機(jī)組制冷系統(tǒng)的冷凝溫度的降低使其制冷優(yōu)勢(shì)大于風(fēng)冷式和冷卻塔式，節(jié)省了30%-40%的供熱制冷經(jīng)費(fèi)，1kw的電能至少可得到4-5kw以上的供暖制冷能量。地源熱泵系統(tǒng)相比較傳統(tǒng)鍋爐（電與燃料）的供熱系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)鍋爐的供熱系統(tǒng)可轉(zhuǎn)化的熱能僅為全部電能的90%或燃料內(nèi)能的70%-90%，投入用戶(hù)供暖和制冷當(dāng)中，這節(jié)省了電鍋爐加熱三分之二的電能以及二分之一左右的燃料鍋爐能量，地源熱泵系統(tǒng)在全年的溫度大約恒定在10-25℃，制冷與制熱系數(shù)高達(dá)3.5-4.4，高出傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)40%，運(yùn)行經(jīng)費(fèi)也僅為普通中央空調(diào)的50%-60%。所以，科技發(fā)展的幾年來(lái)，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在北美、中歐、北歐等多個(gè)國(guó)家取得顯著成效，而中國(guó)地源熱泵市場(chǎng)逐漸復(fù)蘇，預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)，地源熱泵技術(shù)將成為最有效最普遍的供暖制冷空調(diào)技術(shù)。

（一）地源熱泵系統(tǒng)與其他加熱制冷方式在能源消耗方面的比較:

加熱方式能源消耗百分比

地源熱泵 30%

柴油鍋爐 60%

液化氣 70%

電加熱 100%

通過(guò)比較可知，地源熱泵加熱系統(tǒng)是最節(jié)能減耗的。

（二）地源熱泵中央空調(diào)與傳統(tǒng)中央空調(diào)的優(yōu)勢(shì)區(qū)別

1.環(huán)境保護(hù)因素

根據(jù)土壤源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行原理可知，土壤源熱泵系統(tǒng)屬于天然綠色環(huán)?？照{(diào)，無(wú)論是在冬季還是夏季運(yùn)行，其對(duì)建筑外大氣環(huán)境的不良影響少之又少。普通中央空調(diào)系統(tǒng)所產(chǎn)生的廢熱或水蒸氣直接排向大氣，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。土壤源熱泵系統(tǒng)是以地球表面淺層地?zé)豳Y源為冷熱源，這種利用清潔和可再生能源的方式是可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

2.運(yùn)行效率

普通中央空調(diào)系統(tǒng)無(wú)論是在風(fēng)冷熱泵機(jī)組還是在冷卻塔冷水機(jī)組的設(shè)置上，都受到來(lái)自外界天氣條件的制約，主機(jī)的供冷量、供熱量不足，難以滿(mǎn)足空調(diào)區(qū)的供冷或供熱需求，對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的作用效果下降，運(yùn)行效率降低。與之不同的是，地源熱泵機(jī)組與外界換熱的媒介是大地，大地溫度相對(duì)穩(wěn)定，受空氣影響小，因此，地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率高于普通中央空調(diào)系統(tǒng)。

3.經(jīng)濟(jì)因素

地源熱泵系統(tǒng)集合了采暖、空調(diào)制冷和提供生活熱水的功能，整套系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)了供熱鍋爐和制冷空調(diào)以及生活用水加熱等系統(tǒng)，降低成本投入的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。

4.運(yùn)行成本

地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)是有目共睹的:地源熱泵消耗1kw的能量，用戶(hù)在使用過(guò)程中可獲得4kw的冷量或者熱量，制冷制熱系數(shù)達(dá)到4以上，高出傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)能源利用率的40%以上，其花費(fèi)也僅為傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)50%-60%。在相同制冷制熱效率下，地源熱泵主機(jī)的輸入功率相對(duì)較小，這對(duì)全年時(shí)間需要使用空調(diào)的場(chǎng)所，大大的降低了其運(yùn)營(yíng)成本。鍋爐的能源利用率一般為70%-90%，但是地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能總量達(dá)到了鍋爐加熱的三分之二，也是燃料鍋爐的一半左右。

四、住宅中地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的前景

“十二五”期間，我國(guó)通過(guò)地源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供暖制冷的總面積高達(dá)3.5億平方米，全部地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)700億元。國(guó)家能源局等4部委對(duì)快速促進(jìn)地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)與發(fā)展提出了指導(dǎo)意見(jiàn)（2013）48號(hào)至2015年，近年來(lái)，我國(guó)地?zé)崮苜Y源分布明確，因此建立完整的國(guó)家地?zé)崮苜Y源數(shù)據(jù)和信息服務(wù)體系迫在眉睫?，F(xiàn)今我國(guó)地?zé)峁┡娣e普及，已超過(guò)5億平方米，地?zé)岬陌l(fā)電裝機(jī)容量也高達(dá)10萬(wàn)千瓦，是2000萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤的使用量，該系統(tǒng)是融合地?zé)崮苜Y源評(píng)價(jià)，開(kāi)發(fā)與利用技術(shù)，產(chǎn)業(yè)服務(wù)等為一體的體系。至2020年以后，地?zé)崮苜Y源的利用量等于5000萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)技術(shù)和體系趨于完整。

［1］哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2015.

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［3］張臣，地源熱泵技術(shù)在現(xiàn)代特殊建筑領(lǐng)域中的科學(xué)應(yīng)用［J］.科技望.2015（27）:110-111.