地源热泵空调系统

简介

地源热泵空调系统 （也称地源热泵或地源热泵空调系统）是随着全球性能源危机和环境问题的出现而新兴的一门热泵技术。它是一种通过输入少量的高品位能源（如电），实现从浅层地能（土壤热能、地下水中的低位热能或地表水中的低位热能）向高品位热能转移的热泵空调系统。在广义范围内，它包括了使用土壤、地下水和地表水作为低品位热源（或热汇）的热泵空调系统，即以土壤为热源和热汇的热泵系统称为土壤耦合热泵系统（地下埋管换热器地源热泵系统）；以地下水为热源和热汇的热泵系统称为地下水热泵系统；以地表水为热源和热汇的热泵系统称为地表水热泵系统。

组成

地源热泵系统主要有四部分组成：浅层地能采集系统、水源热泵系统、室内采暖空调系统和驱动能源输配系统。
浅层地能采集系统：通过水或防冻剂的水溶液将岩土体或地下水、地表水中的热量采集出来并输送给水源热泵系统。
水源热泵系统：主要有水/水热泵或水/空气热泵两种。
室内采暖空调系统：主要有风机盘管系统、地板辐射采暖系统、水环热泵空调系统等。
驱动能源输配系统：电的输配、用户燃气的输配、用户燃油储存与输配。
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工作原理

接下来，我们将借助上面提供的系统图来解释地源热泵系统的工作原理。
冬季：水源热泵机组中阀门V1、V2、V3、V4开启，V5、V6、V7、V8关闭。通过中间介质（水或防冻剂水溶液）的循环，与地下水进行换热，从而从地下水中吸取低品位热量，并输送到水源热泵机组的蒸发器4中，通过热泵技术将其低品位热能提高品位，对建筑供暖，同时地下含水层还起着蓄存冷量的功能，以备夏季使用。
夏季：水源热泵机组中阀门V5、V6、V7、V8开启，V1、V2、V3、V4关闭。蒸发器4出来的冷冻水直接送入热用户8，对建筑物降温除湿，而中间介质（水）在冷凝器2中吸取冷凝热，被加热的中间介质（水）在板式换热器7中加热井水，被加热的井水由回灌井10返回地下原含水层内。同时也起到蓄热作用，以备冬季采暖用。

特点

地表水源热泵具有如下特点。

①地表水的温度变化比地下水的水温、大地埋管换热器出水水温的变化大，随季节和水深的不同会有不同。
②容易采用。开式系统费用是最低的，而闭式系统也比土壤耦合热泵系统费用低。
③闭式系统的特点：
内部循环介质清洁，避免了堵塞现象的发生；
循环水泵只需克服系统流动过程中的阻力；
机组EER和COP因为循环介质温度相较于地表水温度低2-7℃会略有降低
④需要注意运行过程中的腐蚀、藻类生长等问题
⑤地表水源热泵系统的性能系数比较高。
⑥由于冬季地表水温度下降，因此冬季工况下需要增加水量。

地下水源热泵具有如下特点。

①具有良好的节能性。地下水温度稳定，一般比当地全年平均气温高1-2℃。冬暖夏凉，使得供热季节性能系数（HSPF）和能效比（EER）比较高。
②具有显著的环保效益。只有在发电时，一次能源的消耗会导致污染和二氧化碳的排放。
③具有良好的经济性。
④能够减少高峰需电量（“削峰”），对于减少峰谷差具有积极意义。
⑤回灌是地下水源热泵的关键技术，即要求地下水能100%回灌到同一含水层内。回灌技术大致分为同井回灌技术和异井回灌技术两种类型。

土壤源耦合热泵系统具有如下特点。

①全年温度波动较小且数值相对稳定，使得热泵机组的季节性能系数具有恒温热源热泵的特性，节能效果明显
②土壤具有良好的蓄热性能，冬夏季能量交换可以通过季节蓄能和浅层地温得到自然补偿。
③在耗电相同的条件下，由于土壤温度相对地面空气温度的延迟和衰减效应，与空气源热泵相比能够提高夏季的供冷量和冬季的供热量。
④地下埋管换热器无需除霜，没有结霜和融霜的能耗损失。
⑤减少了空调系统对地面空气的热、噪声污染。
⑥运行费用低。
⑦缺点同样存在，主要体现在：
地下埋管换热器的供热性能受土壤性质影响较大；
当换热量较大时，地下埋管换热器的占地面积较大；
地下埋管换热器的换热性能受土壤的热物性蚕食的影响较大；
初投资较大；
若冬夏季负荷需求不同，长期运行时会导致土壤温度的变化，进而导致效率降低

参考资料

《地源热泵系统设计与运用》，《工程建设与设计》杂志社，2013 《空调工程》，黄翔主编，2013