地源熱泵與空氣源熱泵的對比淺析
楊瑞波樸春君戴亭
中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司河北秦皇島066000
摘要：熱泵可以把不能直接利用的低品位熱能(空氣，土壤，水，太陽能，工業(yè)廢熱等)轉換為可以利用的高位能，從而達到節(jié)約部分高位能(煤，石油，燃氣，電能等)的目的。也就是說，熱泵的作用是能夠將低位熱源的熱量提升到高位的熱量。而對于熱泵可利用的熱源，主要有：空氣，水(地下水，海水，河川水、生活及工業(yè)用廢水等)，土壤，太陽能等。由于熱泵所具有的節(jié)能、高效、環(huán)保等優(yōu)點，在我國已經(jīng)早有研究和應用。
關鍵詞：地熱源泵;空氣熱源泵;對比;分析
1導言
低碳、節(jié)能、環(huán)保既是21世紀世界經(jīng)濟發(fā)展的主題，也是我國經(jīng)濟長期可持續(xù)發(fā)展的模式。水環(huán)熱泵作為一種節(jié)能裝置，在工程中應用價值也越來越高。已有學者對水環(huán)熱泵空調系統(tǒng)在京津地區(qū)單體建筑中的節(jié)能性進行了分析研究，結果表明：水環(huán)熱泵空調系統(tǒng)在沒有明顯內外區(qū)劃分的單體建筑中也具有節(jié)能性。
2系統(tǒng)工藝流程及差別分析
水環(huán)熱泵空調系統(tǒng)水環(huán)熱泵空調系統(tǒng)是用水環(huán)路將小型水源熱泵(水環(huán)熱泵機組)并聯(lián)在一起，構成以回收建筑物內部余熱為主要特征的供熱與供冷空調系統(tǒng)。這種系統(tǒng)要求建筑物內部具有可回收的余熱，通過循環(huán)水將這些余熱分配到需熱區(qū)域，在不需要外界任何能量情況下，不同區(qū)域的水環(huán)熱泵機組可同時從循環(huán)水中取熱與放熱，實現(xiàn)同時供熱與供冷的效果。水環(huán)熱泵空調系統(tǒng)工藝流程見圖1。
圖1水環(huán)熱泵空調系統(tǒng)工藝流程
2熱泵的工作原理
在制冷工況下，低溫低壓的氣態(tài)制冷劑進入壓縮機，變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，該氣體進入冷凝器變?yōu)楦邷馗邏阂后w，該液體再通過膨脹閥降壓，之后低溫低壓的液態(tài)冷媒進入蒸發(fā)器迅速蒸發(fā)變成氣態(tài)，將空氣中的熱量吸收至冷媒中，空氣溫度降低，通過風機盤管以冷風的形式向室內供冷。低溫低壓氣態(tài)冷媒通過壓縮機升溫升壓后進入冷凝器，相變?yōu)楦邷馗邏阂后w，由地下循環(huán)水路吸收冷媒所釋放的熱量，并轉移到地下水或土壤內。隨后高溫高壓液態(tài)冷媒通過膨脹閥降溫降壓回流到蒸發(fā)器，不斷進行蒸發(fā)、壓縮、冷凝、節(jié)流、再蒸發(fā)這、熱力循環(huán)過程，將空氣中的熱量轉移到地下�？諝庠礋岜门c地源熱泵的運行原理相類似，二者都是通過少量的高位電能驅動，將低位熱能提升成高位熱能加以利用的裝置。區(qū)別在于地源熱泵是以土壤、地下水、地表水作為冷熱源，可細分為土壤源熱泵和水源熱泵，空氣源熱泵則以空氣作為冷熱源。
3幾個問題的探討
3.1熱泵的分類問題
在我們將熱泵按“源”來進行分類時，空氣源熱泵與地源熱泵、水源熱泵、土壤源熱泵這幾個概念不容易混淆，但地源熱泵、水源熱泵、土壤源熱泵這幾個概念之間的關系則是仁者見仁，意見不一，所以，要合理將熱泵按“源”來進行分類，首先要弄清地源熱泵的概念。
3.2地源熱泵簡介
“地源熱泵”(Ground-SourceHeatPump)的名稱最早出現(xiàn)在1912年瑞士的一份專利文獻中，它是一種利用地下淺層地熱資源(也稱地能，包括地下水，土壤或地表水等)的既可以供熱又可以制冷的高效節(jié)能環(huán)保型空調系統(tǒng)。地源熱泵在國外應用日趨廣泛，如：在美國商業(yè)建筑中地源熱泵系統(tǒng)到1998年已占空調總占有量的19%，并計劃到2001年達到每年安裝40萬臺地源熱泵的目標，屆時將降低溫室氣體排放量100萬t，相當于減少50萬輛汽車的污染物排放或種植樹木100萬英畝，年節(jié)約能源費用達4.2億美元。我國的地源熱泵近幾年已開始起步，而且發(fā)展迅速。美國能源部和中國科技部于1997年11月簽署了中美能源效率及可再生能源合作議定書，其中主要內容之一就是“地源熱泵”。該項目擬在中國的北京、杭州和廣州三個城市各建一座使用地源熱泵進行供暖制冷的商業(yè)建筑，以推廣運用這種“綠色建筑”，緩解中國對煤炭和石油的依賴程度，從而達到能源資源多元化的目的。
4地源熱泵與空氣源熱泵的對比分析
4.1經(jīng)濟性分析
我國有很長一段時間煤的價格很低，煤電比約為200：1，熱泵的經(jīng)濟性低，制約了熱泵的發(fā)展。直到20世紀90年代，煤的價格迅速增長，從1990年至2006年，短短十幾年，1噸煤從90元上漲至480元。而電價僅僅翻了一倍，煤電比約為1000：1了，熱泵技術實現(xiàn)了真正的經(jīng)濟節(jié)能，得以廣泛推廣。熱泵系統(tǒng)在建筑中應用的總成本包括初投資、年經(jīng)營費用兩部分。地源熱泵的得初投資高于空氣源熱泵，但年經(jīng)營成本較低，且地源熱泵的使用壽命至少為20年，空氣源使用壽命約為15年，相對于空氣源熱泵所增加的投資能在后續(xù)使用中完全回收，更具經(jīng)濟性。
4.2能效(cop)分析
地下水和土壤全年溫度波動小，冬季地下土壤溫度也能保持在15℃，夏季溫度低于空氣溫度，冬季溫度且比空氣溫度高，且空氣溫度隨氣候變化不穩(wěn)定，因此地源熱泵的運行效率要高于空氣源熱泵，空氣源熱泵的COP在2.5-4.0之間，地源熱泵的COP在4.0-6.0之間錯誤!未找到引用源。。地源熱泵比空氣源熱泵節(jié)能30%左右。
4.3環(huán)境影響分析
空氣源熱泵系統(tǒng)在制冷過程中，通過冷凝器冷凝，直接向大氣中排出熱量，加劇了城市熱島效應，但對水資源無破壞。地源熱泵系統(tǒng)則是將冷凝熱排放到地下，通過地下的土壤或者地下水進行吸收冷凝熱，對緩解城市熱島效應起到一定的作用。
5地源熱泵與空氣源熱泵面臨的技術困難
5.1地源熱泵系統(tǒng)施工問題
地源熱泵系統(tǒng)的施工主要在于鉆井成井、洗井、回填、回灌等方面。對于專門針對地源熱泵的打井回灌工作沒有相應的培訓與資格認證，打井人員技術參差不齊，井深與孔徑達不到標準、井內故障難以維修、回灌材料不合格等問題頻發(fā)。
5.2空氣源熱泵系統(tǒng)應用地域限制
中國領土面積約為960萬平方公里，地域遼闊，氣候存在差異。為了明確氣候和建筑兩者的科學關系，中國《民用建筑設計通則》GB50352-2005將中國劃分為了嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)等7個主氣候區(qū)，20個子氣候區(qū)。蒸發(fā)溫度直接影響了空氣源熱泵的應用效果，在溫度過低的地區(qū)應用時，易造成以下問題：一是環(huán)境溫度過低，系統(tǒng)運行不佳，能效比過低，且蒸發(fā)器表面易結霜;二是排氣溫度升高，壓縮機在過熱的工況下運行，縮短壓縮機壽命錯誤。未找到引用源。，排氣溫度達到一定限值后，壓縮機自動停機保護，無法正常工作;三是熱泵系統(tǒng)制熱量減少，達不到室內最大采暖熱負荷值，影響舒適性。地源熱泵由于利用的地源能溫度相對穩(wěn)定，不受氣候、資源、地域、地質結構的限制。所以可應用于所有建筑氣候區(qū)域。
6結論
綜上所述，隨著國家對可再生能源應用以及建筑節(jié)能的不斷重視，政府必將高度重視熱泵這項技術，技術不斷完善，水平不斷提高，熱泵的使用將保持快速增長趨勢，總量持續(xù)增長，熱源類型不斷增加，產業(yè)規(guī)模持續(xù)擴大，市場價格逐漸降低，為節(jié)能減排事業(yè)做出貢獻。熱泵的種類繁多，各個系統(tǒng)均有利弊，設計應用時應結合當?shù)貧夂�、地質、建筑物等實際情況多方面考慮，科學選用。。
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