地源熱泵與空氣源熱泵的對比淺析

康 磊 么 旭 陳 穎 張 寧 陳 瑞

(1.天津市環(huán)境保護科學(xué)研究院，天津 300191；2.天津環(huán)科環(huán)境咨詢有限公司，天津 300191)

地源熱泵與空氣源熱泵的對比淺析

康 磊1么 旭2陳 穎1張 寧1陳 瑞1

(1.天津市環(huán)境保護科學(xué)研究院，天津 300191；2.天津環(huán)科環(huán)境咨詢有限公司，天津 300191)

熱泵技術(shù)作為一種可再生能源和清潔能源受到了各國的重視。但熱泵系統(tǒng)種類繁多，各有優(yōu)劣。本文介紹了地源熱泵與空氣源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，從多方面將兩系統(tǒng)進行分析比較，并提出熱泵技術(shù)目前所面臨的技術(shù)困難，對更好的促進熱泵技術(shù)發(fā)展具有積極意義。

熱泵；地源熱泵；空氣源熱泵；清潔可再生能源

目前由于能源危機的加劇，大氣污染問題愈發(fā)嚴(yán)重，節(jié)能環(huán)保得到了世界各國的重視。在中國，煤作為主要能源，長期以來在生產(chǎn)消費中占據(jù)主導(dǎo)地位，而煤炭是大氣污染最為嚴(yán)重的能源之一。從用煤途徑上分析，建筑采暖用煤約占75%以上，是最主要的用煤方向[1]。想要解決城市大氣污染問題，推廣清潔能源勢在必行。熱泵作為可再生能源和清潔能源的代表，通過消耗少量高品位能源，把低品位熱量上升為高品質(zhì)熱量，最大限度的減少常規(guī)能源消耗，以其高效節(jié)能環(huán)保無污染的特點而廣受人們青睞。

1 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[2]，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(fēng)機盤管以冷風(fēng)的形式向室內(nèi)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(zhuǎn)移到地下水或土壤內(nèi)。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)這一熱力循環(huán)過程，將空氣中的熱量轉(zhuǎn)移到地下。

空氣源熱泵與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(qū)動，將低位熱能提升成高位熱能加以利用的裝置[3]。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(xì)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。

2 地源熱泵與空氣源熱泵的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

熱泵這項技術(shù)的概念最先于1912年由瑞士的專家所提出的，1946年第一臺地源熱泵系統(tǒng)在美國俄勒岡州波蘭特市中心區(qū)建成，并成功運行[4]。與此同時，美國也開始生產(chǎn)空氣源熱泵，我國雖然相對而言起步略晚，但積極開展研究，借鑒他國的豐富經(jīng)驗，引進優(yōu)良技術(shù)，使我國熱泵技術(shù)發(fā)展勢頭良好。國內(nèi)地源熱泵的研究始于20世紀(jì)80年代，上海閔行經(jīng)濟開發(fā)區(qū)辦公樓曾是我國第一個采用土壤源熱泵系統(tǒng)工程的建筑。1985年廣州能源研究所建造并應(yīng)用了一套地下水源熱泵系統(tǒng)[5]。

空氣源熱泵冬季制熱時受到氣候條件的影響，室外溫度相對較高時，熱泵系統(tǒng)能高效穩(wěn)定的運行，隨著室外溫度降低，系統(tǒng)制熱量也會隨之下降，熱泵系統(tǒng)不能正常運行。對此國內(nèi)外學(xué)者提出了相關(guān)的解決方案。包括：帶經(jīng)濟器的準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)或經(jīng)濟器的二級壓縮熱泵系統(tǒng)，帶油冷卻的單級壓縮熱泵系統(tǒng)，帶中間冷卻器的二級壓縮熱泵系統(tǒng)，采用變頻技術(shù)的熱泵系統(tǒng)等[4]。對更好的促進空氣源熱泵的發(fā)展具有積極的意義。

3 地源熱泵與空氣源熱泵的對比分析

3.1 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[6]。直到20世紀(jì)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(shù)實現(xiàn)了真正的經(jīng)濟節(jié)能，得以廣泛推廣[7]。熱泵系統(tǒng)在建筑中應(yīng)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。

3.2 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。

3.3 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(yīng)，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(yīng)起到一定的作用。

4 地源熱泵與空氣源熱泵面臨的技術(shù)困難

熱泵技術(shù)在中國經(jīng)歷了初步嘗試，推廣普及，快速發(fā)展三個階段，技術(shù)逐步成熟，但仍存在一定的問題有待解決。應(yīng)用區(qū)域廣泛，不同地區(qū)因溫度濕度等環(huán)境因素影響，應(yīng)用效果存在差異。

4.1 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(yīng)的培訓(xùn)與資格認(rèn)證，打井人員技術(shù)參差不齊[4]，井深與孔徑達不到標(biāo)準(zhǔn)、井內(nèi)故障難以維修、回灌材料不合格等問題頻發(fā)。

4.2 空氣源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用地域限制

中國領(lǐng)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(xué)關(guān)系，中國《民用建筑設(shè)計通則》GB 50352-2005將中國劃分為了嚴(yán)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(yīng)用效果，在溫度過低的地區(qū)應(yīng)用時，易造成以下問題：①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(jié)霜；②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；③熱泵系統(tǒng)制熱量減少，達不到室內(nèi)最大采暖熱負(fù)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(zhì)結(jié)構(gòu)的限制。所以可應(yīng)用于所有建筑氣候區(qū)域。空氣源熱泵由于受到氣候的限制，主要適用于冬冷夏熱地區(qū)及無集中供熱華北、華東、華中等寒冷地區(qū)。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著國家對可再生能源應(yīng)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(shù)，技術(shù)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(chǎn)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(shè)計應(yīng)用時應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颉⒌刭|(zhì)、建筑物等實際情況多方面考慮，科學(xué)選用。面對熱泵所存在的問題，應(yīng)積極開展研究。相信熱泵技術(shù)作為一種清潔可再生能源，必將成為21世紀(jì)中央空調(diào)發(fā)展的主力軍。

[1]楊愛，劉圣春.我國地源熱泵的研究現(xiàn)狀及展望[J].制冷與空調(diào)，2009，9(4)：1-6.

[2]仉安娜，唐遠明.環(huán)保節(jié)能地源熱泵技術(shù)應(yīng)用研究[J].環(huán)境保護與循環(huán)經(jīng)濟，2008，28(12)：34-37.

[3]王灃浩，王志華，鄭煜鑫，等.低溫環(huán)境下空氣源熱泵的研究與展望[J].制冷學(xué)報，2013，34(5)：47-54.

[4]呂悅，楊立平，周沫，等.國內(nèi)地源熱泵應(yīng)用情況調(diào)查報告[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2005(6)：5-10.

[5]呂悅，莫然，周沫，等.中國地源熱泵技術(shù)應(yīng)用發(fā)展情況調(diào)查報告(2005～2006)[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2007(9)：4-11.[6]俞麗華，馬國遠，徐榮保.低溫空氣源熱泵的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].建筑節(jié)能，2007，35(3)，54-57.

[7]李素花，代寶民，馬一太.空氣源熱泵的發(fā)展及現(xiàn)狀分析[J].制冷技術(shù)，2014(1)：42-48.

Analysis on Comparison between the Ground Source Heat Pump and Air Source Heat Pump

KANG Lei1YAO Xu2CHEN Ying1ZHANG Ning1CHEN Rui1

(1.Tianjin Academy of Environmental Sciences，Tianjin 300191；2.Tianjin Huanke Environmental Consulting Co.，Ltd.，Tianjin 300191)

As a kind of renewable energy and clean energy，heat pump technology has been paid attention to by many countries. But many kinds of heat pump system，have advantages and disadvantages. Introduces the development history and current situation of ground source heat pump and air source heat pump system，from various aspects of the two system analysis，and put forward the technical difficulties of heat pump technology is currently facing，to better promote the development of heat pump technology has a positive meaning.

Heat pump；ground source heat pump；air source heat pump；renewable energy and clean energy

康磊，碩士，高級工程師，主要從事環(huán)境管理工作

X21

A

1673-288X(2017)02-0125-02

引用文獻格式：康 磊 等.地源熱泵與空氣源熱泵的對比淺析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(2)：125-126.