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【摘要】近年来，随着经济的发展，我国的地源热泵技术也在不断的发展，地源热泵技术在空调工程中的应用十分的广泛，并且该项技术也有很好的发展前景。本文主要介绍地源热泵技术工作原理及其特点，对其在空调工程应用中的一些问题进行了分析和探讨。地源热泵空调具有显著的节能环保效果，在我国有民好的发展前景。本文的一些浅薄的分析希望对该领域的研究具有一定的作用。
【关键字】地源热泵技术，特点，空调工程，应用
中图分类号：TU831.3+5文献标识码： A 文章编号：
一．前言
作为空调领域的后起之秀，地源热泵技术是集中央空调、家庭采暖和生活热水三位一体的节能环保产品，该技术以其独特高效的节能环保效果解决了当今世界上普遍存在的能源浪费及环境污染等重大问题。与以往家庭采暖、制冷设备不同，地源热泵技术不受外在条件干扰，一年365天向用户提供恒定的室内温度和家庭生活用水。由于其节能、环保、热稳定等特点，引起了世界各国的重视。欧美等发达国家地源热泵的利用已有几十年的历史，特别是在供热方面已积累了大量设计、施工和运行方面的资料和数据。本文就该热泵技术的工作原理、特点和在空调工程中的应用作一简要介绍，并对该热泵技术在我国未来的发展前景进行简要分析。
二．地源热泵技术的工作原理
作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样.热量也总是从高温流向低温.但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样.采用热泵可以把热量从低温运送到高温.所以热泵实质上是一种热量提升装置.它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的1/3或更低，这也是热泵的节能特点.根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功(电能)起到补偿作用，使循环工质不断从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。
热泵与制冷的原理和系统设备组成及功能是一样的，对蒸汽压缩式热泵(制冷)系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器、和节流阀组成，还应有起到输送能量的循环工质.作为地源热泵，与传统的蒸汽压缩制冷不同的是地源热泵制冷省略了庞大的冷凝设备，而以深井水取而代之.具体系统原理如图1所示：
图一 系统原理图
注：夏季运行:2、4、5、7阀门打开，地下水与冷水机组冷凝出水混合后，再进入机组冷凝器;1、3、6、8关闭.冬季运行：1、3, 6, 8阀门打开，地下水与机组蒸发器出水混合后，再进机组蒸发器;2, 4, 5, 7关闭。
三．地源热泵的特点
1．属可再生能源利用技术
地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于400m深)作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统.地表浅层地热源可以称之为地能((Earth Energy)，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能.地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多.它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在.这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源的一种形式。
2．属经济有效的节能技术
地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右.该系统以水为冷、热源，与其中吸收或释放热量，从而达到制冷或供暖的目的，既不消耗水资源，也不对其造成任何污染.另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性.据美国环保署EPA估计以及国内已安装的工程实例，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30%-40%的供热制冷空调的运行费用。
3．环境效益显著
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，如果结合其它节能措施，节能减排会更明显.虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25%的充灌量，属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此制冷剂泄漏机率大为减少.该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，节约土地资源，且不用远距离输送热量.供冷时省去了冷却塔，避免了冷却塔噪音及霉菌污染，使我们的环境更加洁净和清新。
四．地源热泵技术在空调工程中的应用
尽管地源热泵空调系统具有节能环保等许多优点，但由于受客观条件的影响，并不是任何工程项目都可采用。对于采用地源热泵空调的工程项目，也需分析何种形式的地源热泵空调为宜，以下情况可作参考：
1．对于只需制冷的工程
（一）一般不宜采用闭式环路的地源热泵系统，因为闭式环路系统中冷却水与土壤或水体之间存在5到10摄氏度的传热温差，机组的冷却水温度虽仍比冷却塔出水温度低，能效比（EER）与用冷却塔时冷水机组的能耗比相比有所提高，且免除了冷却塔的功耗，但因地下埋管或水中埋管投资较大，空调年运行时间短，投资回收期较长。
（二）同时，地源侧水通过地下热交换器向土壤吸热比向土壤放热容易，国内外有的工程空调系统运行时曾出现机组高压保护自动停机的情况。这类工程宜采用能效比（EER）较高的常规冷水机组，由冷却塔向空气排放热量。我们认为，闭环系统较适合于有冷热负荷需要的空调系统，开环式地源热泵系统则适合于单冷空调和冷暖空调系统。
2．如果没有足够的地方使地下换热器的换热能力满足冬季室内热负荷的需要，则需设置锅炉等辅助热源，夏季需加冷却塔，系统组成较为复杂，这种情况是否采用地源热泵，需通过技术经济比较而定。如果地下换热器的换热能力能满足冬季热负荷的需要而不能满足夏季冷负荷的需要，则仅需增设冷却塔。当冷、热负荷相差较大时，采用地下埋管加冷却塔的方案对降低工程造价而言是很合适的方案，这种方案没有锅炉，系统组成也操作简单，但工程造价显著降低。
3．在高层建筑的应用中，如果空调系统是分层分区域控制的，而地源侧采用垂直埋管时，则需考虑埋管的耐压问题。垂直埋管深度通常在45m到150m之间，当建筑层数超过9层时，系统静压将可能超过管道的额定压力，但考虑地下水的静压抵压作用后，垂直埋管能适应更高层的建筑。对于层数更多的建筑，可用板式换热器对地源侧水作高低压分区，就像常规中央空调系统在高层建筑中对冷媒水系统作高低压分区一样，也可在一定层数以上不作分区域控制，而在较低层设置水地源热泵机组，向高层房间末端设备集中提供冷（热）媒水。
4．机组的选用要与地源热泵系统类型相适应
有的机组只适合在水环热泵空调系统中使用，有的较适合在开环式地源热泵空调系统中使用，有的各种型式都可应用，目前因名称不统一，易造成概念上的混乱，建设单位或安装公司订购设备时需细心。浙江某地一个工程，采用地下水平埋管的地源热泵中央空调方案，设备由建设单位自行采购，建设单位误订了适合水环热泵使用的机组，导致系统冬季不能使用。
5．关于机组的能效比和性能系数
设计与建设单位在选用机组时，或评标专家对设备进行评标时，需对不同厂家的产品能效比（EER）和性能系数（COP）进行比较，需注意的是同一厂家同一系列不同规格的机组，在同一工况下，能效比和性能系数会有较大不同，如美国某品牌某一系列的机组，冷量从0.75冷吨到25冷吨有多种规格，在同一制冷工况下，EER值高的为7.0，低的只有4.6；在同一制热工况下，COP高的可达5.0，低的只有4.2。此外，各厂家的EER和COP值可能是在不同工况下测定的，而机组的EER和COP值随工况不同而有较大的变化。
五．结束语
综上所述，无论从国家政策还是地源热泵技术本身特点的角度分析，该项技术都将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。其必将成为我国今后大力发展的中央空调系统的主流之一。
参考文献：
[1]章俞昌; 潘金文 地源热泵技术的特点及其在空调工程中的应用工程建设与设计2003-08-30期刊
[2]潘金文; 李冰 对地源热泵技术在空调工程应用中一些问题的探讨工程建设与设计2004-04-20期刊
[3]樊学; 梁志鸿; 朱超 地源热泵技术在空调节能改造项目中的应用绿色建筑2011-05-20期刊
[4]刘东; 陈忠海; 马建军 地源热泵技术在空调工程中的应用河北建筑工程学院学报2002-05-15期刊
[5]常静; 徐晓红; 倪本会 某高校图书馆地源热泵可行性分析及工程管理中的几点建议制冷空调与电力机械2010-11-15期刊
[6]门小静 地源热泵空调系统的技术经济动态分析武汉理工大学2009-05-01硕士
[7]周晓波 高温地源热泵技术及其在工程中的应用工程建设与设计2004-06-20期刊
[8]曹振华 浅析地源热泵技术的特点及发展前景洁净与空調技术2012-09-17期刊
【关键字】地源热泵技术，特点，空调工程，应用
中图分类号：TU831.3+5文献标识码： A 文章编号：
一．前言
作为空调领域的后起之秀，地源热泵技术是集中央空调、家庭采暖和生活热水三位一体的节能环保产品，该技术以其独特高效的节能环保效果解决了当今世界上普遍存在的能源浪费及环境污染等重大问题。与以往家庭采暖、制冷设备不同，地源热泵技术不受外在条件干扰，一年365天向用户提供恒定的室内温度和家庭生活用水。由于其节能、环保、热稳定等特点，引起了世界各国的重视。欧美等发达国家地源热泵的利用已有几十年的历史，特别是在供热方面已积累了大量设计、施工和运行方面的资料和数据。本文就该热泵技术的工作原理、特点和在空调工程中的应用作一简要介绍，并对该热泵技术在我国未来的发展前景进行简要分析。
二．地源热泵技术的工作原理
作为自然界的现象，正如水由高处流向低处那样.热量也总是从高温流向低温.但人们可以创造机器，如同把水从低处提升到高处而采用水泵那样.采用热泵可以把热量从低温运送到高温.所以热泵实质上是一种热量提升装置.它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的1/3或更低，这也是热泵的节能特点.根据热力学第二定律，压缩机所消耗的功(电能)起到补偿作用，使循环工质不断从低温环境中吸热，并向高温环境放热，周而往复地进行循环。
热泵与制冷的原理和系统设备组成及功能是一样的，对蒸汽压缩式热泵(制冷)系统主要由压缩机、蒸发器、冷凝器、和节流阀组成，还应有起到输送能量的循环工质.作为地源热泵，与传统的蒸汽压缩制冷不同的是地源热泵制冷省略了庞大的冷凝设备，而以深井水取而代之.具体系统原理如图1所示：
图一 系统原理图
注：夏季运行:2、4、5、7阀门打开，地下水与冷水机组冷凝出水混合后，再进入机组冷凝器;1、3、6、8关闭.冬季运行：1、3, 6, 8阀门打开，地下水与机组蒸发器出水混合后，再进机组蒸发器;2, 4, 5, 7关闭。
三．地源热泵的特点
1．属可再生能源利用技术
地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于400m深)作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统.地表浅层地热源可以称之为地能((Earth Energy)，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能.地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多.它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在.这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源的一种形式。
2．属经济有效的节能技术
地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右.该系统以水为冷、热源，与其中吸收或释放热量，从而达到制冷或供暖的目的，既不消耗水资源，也不对其造成任何污染.另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性.据美国环保署EPA估计以及国内已安装的工程实例，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30%-40%的供热制冷空调的运行费用。
3．环境效益显著
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，如果结合其它节能措施，节能减排会更明显.虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25%的充灌量，属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此制冷剂泄漏机率大为减少.该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，节约土地资源，且不用远距离输送热量.供冷时省去了冷却塔，避免了冷却塔噪音及霉菌污染，使我们的环境更加洁净和清新。
四．地源热泵技术在空调工程中的应用
尽管地源热泵空调系统具有节能环保等许多优点，但由于受客观条件的影响，并不是任何工程项目都可采用。对于采用地源热泵空调的工程项目，也需分析何种形式的地源热泵空调为宜，以下情况可作参考：
1．对于只需制冷的工程
（一）一般不宜采用闭式环路的地源热泵系统，因为闭式环路系统中冷却水与土壤或水体之间存在5到10摄氏度的传热温差，机组的冷却水温度虽仍比冷却塔出水温度低，能效比（EER）与用冷却塔时冷水机组的能耗比相比有所提高，且免除了冷却塔的功耗，但因地下埋管或水中埋管投资较大，空调年运行时间短，投资回收期较长。
（二）同时，地源侧水通过地下热交换器向土壤吸热比向土壤放热容易，国内外有的工程空调系统运行时曾出现机组高压保护自动停机的情况。这类工程宜采用能效比（EER）较高的常规冷水机组，由冷却塔向空气排放热量。我们认为，闭环系统较适合于有冷热负荷需要的空调系统，开环式地源热泵系统则适合于单冷空调和冷暖空调系统。
2．如果没有足够的地方使地下换热器的换热能力满足冬季室内热负荷的需要，则需设置锅炉等辅助热源，夏季需加冷却塔，系统组成较为复杂，这种情况是否采用地源热泵，需通过技术经济比较而定。如果地下换热器的换热能力能满足冬季热负荷的需要而不能满足夏季冷负荷的需要，则仅需增设冷却塔。当冷、热负荷相差较大时，采用地下埋管加冷却塔的方案对降低工程造价而言是很合适的方案，这种方案没有锅炉，系统组成也操作简单，但工程造价显著降低。
3．在高层建筑的应用中，如果空调系统是分层分区域控制的，而地源侧采用垂直埋管时，则需考虑埋管的耐压问题。垂直埋管深度通常在45m到150m之间，当建筑层数超过9层时，系统静压将可能超过管道的额定压力，但考虑地下水的静压抵压作用后，垂直埋管能适应更高层的建筑。对于层数更多的建筑，可用板式换热器对地源侧水作高低压分区，就像常规中央空调系统在高层建筑中对冷媒水系统作高低压分区一样，也可在一定层数以上不作分区域控制，而在较低层设置水地源热泵机组，向高层房间末端设备集中提供冷（热）媒水。
4．机组的选用要与地源热泵系统类型相适应
有的机组只适合在水环热泵空调系统中使用，有的较适合在开环式地源热泵空调系统中使用，有的各种型式都可应用，目前因名称不统一，易造成概念上的混乱，建设单位或安装公司订购设备时需细心。浙江某地一个工程，采用地下水平埋管的地源热泵中央空调方案，设备由建设单位自行采购，建设单位误订了适合水环热泵使用的机组，导致系统冬季不能使用。
5．关于机组的能效比和性能系数
设计与建设单位在选用机组时，或评标专家对设备进行评标时，需对不同厂家的产品能效比（EER）和性能系数（COP）进行比较，需注意的是同一厂家同一系列不同规格的机组，在同一工况下，能效比和性能系数会有较大不同，如美国某品牌某一系列的机组，冷量从0.75冷吨到25冷吨有多种规格，在同一制冷工况下，EER值高的为7.0，低的只有4.6；在同一制热工况下，COP高的可达5.0，低的只有4.2。此外，各厂家的EER和COP值可能是在不同工况下测定的，而机组的EER和COP值随工况不同而有较大的变化。
五．结束语
综上所述，无论从国家政策还是地源热泵技术本身特点的角度分析，该项技术都将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。其必将成为我国今后大力发展的中央空调系统的主流之一。
参考文献：
[1]章俞昌; 潘金文 地源热泵技术的特点及其在空调工程中的应用工程建设与设计2003-08-30期刊
[2]潘金文; 李冰 对地源热泵技术在空调工程应用中一些问题的探讨工程建设与设计2004-04-20期刊
[3]樊学; 梁志鸿; 朱超 地源热泵技术在空调节能改造项目中的应用绿色建筑2011-05-20期刊
[4]刘东; 陈忠海; 马建军 地源热泵技术在空调工程中的应用河北建筑工程学院学报2002-05-15期刊
[5]常静; 徐晓红; 倪本会 某高校图书馆地源热泵可行性分析及工程管理中的几点建议制冷空调与电力机械2010-11-15期刊
[6]门小静 地源热泵空调系统的技术经济动态分析武汉理工大学2009-05-01硕士
[7]周晓波 高温地源热泵技术及其在工程中的应用工程建设与设计2004-06-20期刊
[8]曹振华 浅析地源热泵技术的特点及发展前景洁净与空調技术2012-09-17期刊