地源热泵是一种利用浅层地热能进行供暖制冷的高效节能技术。它通过埋设在地下的换热管路,将土壤或地下水中的热量转移到建筑物内,实现冬季供暖和夏季制冷。与传统的空气源热泵相比,地源热泵具有能效高、运行稳定、节能环保等优点,在建筑节能领域得到越来越广泛的应用。             

 

一、地源热泵的工作原理      

         

地源热泵的工作原理是基于热力循环和地下土壤或水源的恒温特性。它主要由地埋管换热系统、热泵主机和室内末端三部分组成。在冬季供暖时,热泵主机通过地埋管从土壤或地下水中吸取热量,经过压缩机提升温度后,将热量释放到室内,实现建筑物的供暖;在夏季制冷时,热泵主机将室内的热量通过地埋管转移到土壤或地下水中,实现建筑物的制冷。由于土壤或地下水的温度全年相对稳定,地源热泵可以在恶劣的气候条件下保持高效运行,具有明显的节能优势。  

 

 

冬季制热

在制热状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过四通阀将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地下水或土壤里的热量，通过冷媒/水热交换器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/空气热交换器内冷媒的冷凝，由空气循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，以强制对流 、自然对流或辐射的形式向室内供暖。

夏季制冷

在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。通过冷媒/空气热交换器内冷媒的蒸发将室内空气循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/水热交换器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过冷媒-空气热交换器，以13℃以下的冷风的形式为房供冷。

 

 

二、地源热泵的性能特点      

         

高能效比: 由于土壤或地下水的温度全年稳定,地源热泵可以在较小的温差下实现热量传递,因此具有很高的能效比(COP),一般在3~5之间,远高于空气源热泵。  

运行稳定 :地源热泵不受外界气候条件的影响,可以在极端天气下保持稳定运行,提供可靠的供暖制冷服务。  

节能环保 :与传统的燃煤锅炉和电制冷相比,地源热泵可以节省50%~70%的能源消耗,减少二氧化碳等温室气体的排放,具有显著的节能环保效益。  

舒适健康: 地源热泵提供的热量温和均匀,不会产生干燥、寒冷等不适感,创造了舒适健康的室内环境。  

使用寿命长: 地埋管换热器的使用寿命一般在50年以上,热泵主机的使用寿命也可达15~20年,远高于传统供暖制冷设备。  

 

 

 

三、地源热泵的结构构成      

         

地埋管换热系统: 由埋设在地下的高密度聚乙烯管路组成,用于与土壤或地下水进行热量交换。常见的地埋管换热器形式有水平埋管、垂直埋管和地下水井三种。  

热泵主机: 由压缩机、蒸发器、冷凝器和节流装置组成,通过制冷剂的相变实现热量的转移和提升。常用的热泵主机类型有水源热泵和地源热泵两种。  

室内末端系统 :包括风机盘管、地板辐射、风道等末端设备,用于将热泵主机提供的热量或冷量输送到室内空间。合理选择室内末端形式,可以优化系统的舒适性和节能性。  

控制系统 :由温度传感器、流量开关、控制器等部件组成,用于实现地源热泵系统的自动化控制和优化运行。先进的控制策略可以进一步提高系统的能效和可靠性。  

 

 

四、地源热泵的应用案例      

         

某大型商场采用地源热泵系统进行供暖制冷,建筑面积约5万平方米,安装了500个100米深的垂直地埋管,配置了5台450kW的水源热泵主机和风机盘管末端,年运行费用较传统空调系统节省约40%。  

某生态社区采用地源热泵+地板辐射的方式进行供暖,安装了8000米水平地埋管和1500套户式水源热泵,实现了建筑的低碳节能运行,室内温度均匀舒适,受到业主的广泛好评。  

某数据中心采用地下水源热泵系统进行制冷,利用地下水的低温特性,直接为服务器机柜提供冷量,实现了能耗的显著降低和高效散热,PUE值优于1.5。

 

 

五、地源热泵的优缺点      

         

1、优点:  

能效高,运行费用低,可以显著降低建筑的能耗水平。  

运行稳定可靠,不受外界气候条件的影响。  

节能环保,减少温室气体排放,具有良好的社会效益。  

舒适健康,提供均匀温和的室内热环境。  

使用寿命长,地埋管和主机的更换周期远高于常规设备。  

2、缺点:  

初投资较高,地埋管施工和热泵设备的成本高于传统空调系统。  

受场地限制,在土地资源紧张的城市中心区应用受限。  

地质勘察要求高,需要对场地的土壤热物性和地下水位进行详细勘测。  

施工工艺复杂,对地埋管施工和热泵安装的要求较高。  

维护管理专业性强,需要专业人员进行系统的运行优化和故障诊断。

 

参考文献:  

刘晓明,王伟,李永祥.地源热泵技术的研究进展与应用现状[J].暖通空调,2019,49(9):1-9.  

杨柳,张寅峰,李炳华.地源热泵系统的性能影响因素及优化策略[J].制冷学报,2018,39(5):1-10.  

马最良,王兆坤,张小松.地源热泵在绿色建筑中的应用研究[J].建筑节能,2017,45(4):23-28.  

李亚峰,任宏,刘伟.地源热泵系统的智能控制策略研究进展[J].暖通空调,2016,46(12):21-27.  

刘金平,王怀宇,郭晓冬.复合式地源热泵系统的应用研究[J].太阳能学报,2015,36(7):1821-1828.