针对土壤源热泵技术分析

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1、第18卷第6期武汉科技学院学报Vol.18No.62005年06月JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFSCIENCEANDENGINEERINGJun.2005土壤源热泵技术分析郑万兵，吴宜珍（武汉科技学院机电工程系，湖北武汉430073）摘要:阐述土壤源热泵制冷（供热）的基本原理，介绍埋地换热器常见的形式，探讨土壤源热泵的特点和目前面临的主要技术问题，简要分析其在国内的研究、应用现状及发展前景。关键词:土壤源热泵；一次能源利用率；埋地换热器中图分类号：TU8文献标识码：A文献编号：1009－5160（2005）－0046－03大地蓄有

2、无穷无尽的热量。在地面以下一定的深度，土壤温度比较稳定，终年波动幅度小，且对大气温度变化来说，有时间延迟和峰值衰减的作用。土壤源热泵就是利用土壤的这些特性，通过消耗少量的电能，就能从土壤中提取冷量，夏季供给建筑物空调冷冻水；或从地下采集热量，供给建筑物冬季采暖热媒。土壤源热泵可降低制冷、供热设备的能源消耗，减少空调系统运行费用，甚至还可省去锅炉，避免消耗大量的矿物燃料，及减少由此产生的温室气体，不会造成对大气环境的污染和破坏，是一种利用可再生能源的绿色空调。所谓土壤源热泵，就是将空气源热泵的室外侧“制冷剂-空气换热器”，改为“制冷剂-中间换热流体介质（

3、水或其它抗冻液）-土壤换热器”。由于土壤源热泵无需采用制冷剂-空气换热器，避免了换热器冬季运行时的结霜、融霜，同时，相对于地面空气而言，地下深处冬季土壤温度较高，因而热泵供热时的COP值得以提高，显示出明显的节能特性。20世纪90年代以来，土壤源热泵技术的研究与应用，进入了一个新的发展阶段。目前在欧美市场上，土壤源热泵装置占各种热泵份额约为3％，并在不断增长。据资料介绍，美国1985年只安装有1.4万台土壤源热泵，但到2001年，已累计[1]安装40多万台。在欧洲中部和北部地区，由于冬季气候寒冷，土壤源热泵主要应用于建筑物采暖，近年来，瑞典使用土[2]

4、壤源热泵的数量以每年1000套的速度增长。但我国在这一领域的起步较晚，研究成果不多，目前实际应用的工程还很少，且工程制冷量（供热量）均不大。1土壤源热泵制冷（供热）基本原理土壤源热泵是热泵的一种类型，它从地表浅层土壤内获取热能，向建筑物供冷或供热，是一种高效节能空调装置。土壤源热泵的制冷（制热）循环属于单级蒸气压缩式理论循环，并非逆卡诺循环。实际工程中应用的热泵，其蒸气压缩过程不是绝热过程，存在汽缸余隙、吸排气阀阻力、摩擦损失等，因此压缩机消耗的功率比理论功率大。利用土壤源热泵的逆循环（制热循环），可通过冷凝器向房间供热。常见的土壤源热泵系统由压缩机、

5、冷凝器、节流装置和蒸发器组成，主要包含三部分：热泵的驱动能源（如电能）、热泵的工作机和低温热源—土壤。其制冷（供热）系统原理见图1。土壤源热泵系统，利用土壤的蓄热性能，通过埋地换热器，夏季把室内的热量取出，释放到埋地换热器附近的土壤中去，即利用土壤冷却埋地换热器管内的制冷工质，工质经节流后，在蒸发器内吸热蒸发，从而实现向建筑物供给冷量。冬季，系统利用四通阀的转换，埋地换热器转变为蒸发器，图中装置6转变为冷凝器，通过释放冷凝热，向建筑物供暖。土壤源热泵的供热量永远大于它所消耗的功量。为了比较土壤源热泵与锅炉供热的经济性，从一次能源利用率（PER-prim

6、aryeneryratio）来看，能源最终利用率不仅要考虑COP值的大小，还要考虑一次能源转换成驱动热泵的电能的效率。PER实为供热设备输出的有效能量与其消耗的一次能源之比值。收稿日期：2005-01-12作者简介：郑万兵（1964-），男，副教授，高级工程师,研究方向：建筑物室内人工环境控制，空调设备节能技术.第6期郑万兵，等：土壤源热泵技术分析471—压缩机；2—埋地换热器；3—止回阀；4—贮液器；5—节流装置；6—夏季蒸发器（冬季冷凝器）；7—循环水泵图1土壤源热泵制冷（供热）系统原理图△PER=PER热泵-PER锅炉=[1-ηb/(COP×ηe

7、×ηc)]×100%,根据我国能源情况，燃煤供热锅炉平均热效率ηb≈70%，火力发电厂效率ηe≈32%，输变电效率ηc≈90%，若土壤源热泵的COP=3.2，则△PER=24%。可见，采用此类热泵供热比采用锅炉供热节约一次能源24%，具有节能效果。2埋地换热器的形式与水源热泵、空气源热泵等比较，土壤源热泵是以土壤作为机组放热和吸热的场所。因此，埋地换热器是土壤源热泵系统的主要部件，它直接影响到热泵的性能。早期的埋地换热器，主要采用热阻小、抗压抗拉强度高的金属材料。实际使用中，发现金属材料抗腐蚀性能较差、使用寿命短、造价相对较高等，这在一定程度上阻碍了土

8、壤源热泵技术的应用。随着材料科学的迅猛发展，现在的埋地换热器一般采用与土壤匹配性能好，抗腐蚀能