中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司 河北秦皇岛 066000
摘要：热泵可以把不能直接利用的低品位热能（空气，土壤，水，太阳能，工业废热等）转换为可以利用的高位能，从而达到节约部分高位能（煤，石油，燃气，电能等）的目的。也就是说，热泵的作用是能够将低位热源的热量提升到高位的热量。而对于热泵可利用的热源，主要有：空气，水（地下水，海水，河川水、生活及工业用废水等），土壤，太阳能等。由于热泵所具有的节能、高效、环保等优点，在我国已经早有研究和应用。
关键词：地热源泵；空气热源泵；对比；分析
1导言
低碳、节能、环保既是21世纪世界经济发展的主题，也是我国经济长期可持续发展的模式。水环热泵作为一种节能装置，在工程中应用价值也越来越高。已有学者对水环热泵空调系统在京津地区单体建筑中的节能性进行了分析研究，结果表明：水环热泵空调系统在没有明显内外区划分的单体建筑中也具有节能性。
2系统工艺流程及差别分析
水环热泵空调系统水环热泵空调系统是用水环路将小型水源热泵（水环热泵机组）并联在一起，构成以回收建筑物内部余热为主要特征的供热与供冷空调系统。这种系统要求建筑物内部具有可回收的余热，通过循环水将这些余热分配到需热区域，在不需要外界任何能量情况下，不同区域的水环热泵机组可同时从循环水中取热与放热，实现同时供热与供冷的效果。水环热泵空调系统工艺流程见图1。
图1水环热泵空调系统工艺流程
2热泵的工作原理
在制冷工况下，低温低压的气态制冷剂进入压缩机，变为高温高压气体，该气体进入冷凝器变为高温高压液体，该液体再通过膨胀阀降压，之后低温低压的液态冷媒进入蒸发器迅速蒸发变成气态，将空气中的热量吸收至冷媒中，空气温度降低，通过风机盘管以冷风的形式向室内供冷。低温低压气态冷媒通过压缩机升温升压后进入冷凝器，相变为高温高压液体，由地下循环水路吸收冷媒所释放的热量，并转移到地下水或土壤内。随后高温高压液态冷媒通过膨胀阀降温降压回流到蒸发器，不断进行蒸发、压缩、冷凝、节流、再蒸发这、热力循环过程，将空气中的热量转移到地下。空气源热泵与地源热泵的运行原理相类似，二者都是通过少量的高位电能驱动，将低位热能提升成高位热能加以利用的装置。区别在于地源热泵是以土壤、地下水、地表水作为冷热源，可细分为土壤源热泵和水源热泵，空气源热泵则以空气作为冷热源。
3几个问题的探讨
3.1热泵的分类问题
在我们将热泵按“源”来进行分类时，空气源热泵与地源热泵、水源热泵、土壤源热泵这几个概念不容易混淆，但地源热泵、水源热泵、土壤源热泵这几个概念之间的关系则是仁者见仁，意见不一，所以，要合理将热泵按“源”来进行分类，首先要弄清地源热泵的概念。
3.2地源热泵简介
“地源热泵”（Ground-SourceHeatPump）的名称最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中，它是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水，土壤或地表水等）的既可以供热又可以制冷的高效节能环保型空调系统。地源热泵在国外应用日趋广泛，如：在美国商业建筑中地源热泵系统到1998年已占空调总占有量的19%，并计划到2001年达到每年安装40万台地源热泵的目标，届时将降低温室气体排放量100万t，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植树木100万英亩，年节约能源费用达4.2亿美元。我国的地源热泵近几年已开始起步，而且发展迅速。美国能源部和中国科技部于1997年11月签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书，其中主要内容之一就是“地源热泵”。该项目拟在中国的北京、杭州和广州三个城市各建一座使用地源热泵进行供暖制冷的商业建筑，以推广运用这种“绿色建筑”，缓解中国对煤炭和石油的依赖程度，从而达到能源资源多元化的目的。
4地源热泵与空气源热泵的对比分析
4.1经济性分析
我国有很长一段时间煤的价格很低，煤电比约为200：1，热泵的经济性低，制约了热泵的发展。直到20世纪90年代，煤的价格迅速增长，从1990年至2006年，短短十几年，1吨煤从90元上涨至480元。而电价仅仅翻了一倍，煤电比约为1000：1了，热泵技术实现了真正的经济节能，得以广泛推广。热泵系统在建筑中应用的总成本包括初投资、年经营费用两部分。地源热泵的得初投资高于空气源热泵，但年经营成本较低，且地源热泵的使用寿命至少为20年，空气源使用寿命约为15年，相对于空气源热泵所增加的投资能在后续使用中完全回收，更具经济性。
4.2能效（cop）分析
地下水和土壤全年温度波动小，冬季地下土壤温度也能保持在15℃，夏季温度低于空气温度，冬季温度且比空气温度高，且空气温度随气候变化不稳定，因此地源热泵的运行效率要高于空气源热泵，空气源热泵的COP在2.5-4.0之间，地源热泵的COP在4.0-6.0之间错误!未找到引用源。。地源热泵比空气源热泵节能30%左右。
4.3环境影响分析
空气源热泵系统在制冷过程中，通过冷凝器冷凝，直接向大气中排出热量，加剧了城市热岛效应，但对水资源无破坏。地源热泵系统则是将冷凝热排放到地下，通过地下的土壤或者地下水进行吸收冷凝热，对缓解城市热岛效应起到一定的作用。
5地源热泵与空气源热泵面临的技术困难
5.1地源热泵系统施工问题
地源热泵系统的施工主要在于钻井成井、洗井、回填、回灌等方面。对于专门针对地源热泵的打井回灌工作没有相应的培训与资格认证，打井人员技术参差不齐，井深与孔径达不到标准、井内故障难以维修、回灌材料不合格等问题频发。
5.2空气源热泵系统应用地域限制
中国领土面积约为960万平方公里，地域辽阔，气候存在差异。为了明确气候和建筑两者的科学关系，中国《民用建筑设计通则》GB 50352－2005将中国划分为了严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区等7个主气候区，20个子气候区。蒸发温度直接影响了空气源热泵的应用效果，在温度过低的地区应用时，易造成以下问题：一是环境温度过低，系统运行不佳，能效比过低，且蒸发器表面易结霜；二是排气温度升高，压缩机在过热的工况下运行，缩短压缩机寿命错误。未找到引用源。，排气温度达到一定限值后，压缩机自动停机保护，无法正常工作；三是热泵系统制热量减少，达不到室内最大采暖热负荷值，影响舒适性。地源热泵由于利用的地源能温度相对稳定，不受气候、资源、地域、地质结构的限制。所以可应用于所有建筑气候区域。
6结论
综上所述，随着国家对可再生能源应用以及建筑节能的不断重视，政府必将高度重视热泵这项技术，技术不断完善，水平不断提高，热泵的使用将保持快速增长趋势，总量持续增长，热源类型不断增加，产业规模持续扩大，市场价格逐渐降低，为节能减排事业做出贡献。热泵的种类繁多，各个系统均有利弊，设计应用时应结合当地气候、地质、建筑物等实际情况多方面考虑，科学选用。。
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论文作者:杨瑞波,朴春君,戴亭
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/12
标签：源热泵论文; 热泵论文; 空气论文; 土壤论文; 热源论文; 温度论文; 系统论文; 《建筑学研究前沿》2018年第4期论文;