地源热泵、太阳能热泵技术应用
1 引言
降低供暖空调系统能耗、节约能源是建筑节能和暖通空调工作者一直追求的目标。地源热泵供暖空调系统冬季从大地吸收热量，夏季向大地放出热量，再由热泵机组向建筑物供冷供热，该系统和常规的供热空调系统相比大约节能50%，是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的新型空调系统，可广泛应用于商业楼宇、公共建筑、住宅公寓、学校、医院等建筑物。
地源热泵的概念最早出现在1912年，经过50多年的研究与开发，地源热泵技术在北美和欧洲已非常成熟，针对地源热泵机组、地热换热器以及系统设计和安装有一整套标准、规范、计算方法和施工工艺。在美国地源热泵系统占整个空调系统的20%，是美国政府极力推广的节能环保技术。
我国地源热泵的研究始于20世纪80年代，近十几年来发展很快，并已开始应用于工程实践，与此相关的热泵产品应运而生，地源热泵技术正被越来越多的人们所了解。 2 地源热泵及太阳能热泵
地源热泵（GSHP）是一个广义的术语，它包括了使用土壤、地下水和地表水作为热源和冷源的系统，地源热泵系统是一种机械蒸气压缩, 制冷循环的运行系统，该系统将热量排入地表层或从地表层吸收热量。
地源热泵主要有垂直地埋管土壤地源热泵系统、水平地埋管土壤地源热泵系统、地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统。
（1）土壤热交换器地源热泵
土壤热交换器地源热泵包括一个土壤耦合地热交换器，它或是水平地安装在地沟中，或是以U形管状垂直安装在竖井之中。不同的管沟或竖井中的热交换器成并联连接，再通过不同的集管进入建筑物内并与其中的水环路相连接。在液体温度较低时，系统中需加入防冻液，北方地区应用时应特别注意。
（2）地下水地源热泵
无论是深井水，还是地下热水都是热泵的良好的低位热源。地下水位于较深的地方，由于地层的隔热作用，其温度随季节气温的波动很小，特别是深井水的水温常年基本不变，对热泵的运行十分有利。
地下水地源热泵系统分为两种，一种通常被称为开式系统，另一种则为闭式系统。前者是将地下水直接供应到每台热泵机组，之后将井水回灌地下。由于可能导致管路阻塞，更重要的是可能导致腐蚀发生，因此通常不建议在地源热泵系统中直接应用地下水。在闭式地下
水地源热泵系统中，地下水和建筑内循环水之间是用板式换热器分开的。通常系统包括带潜水泵的取水井和回灌井。板式热交换器采取小温差换热的方式运行，根据温度和地下水深度的不同，可以在很大程度上抵消开式系统在性能上的优势。
（3）地表水地源热泵
地表水地源热泵系统由潜在水面以下的、多重并联的塑料管组成的地下水热交换器取代了土壤热交换器，与土壤热交换地源热泵一样，它们被连接到建筑物中，并且在北方地区需要进行防冻处理。
有大量的应用特性可以帮助我们决定以上系统中的哪一种形式最适宜采用。其中包括可用地下水含量、可用地表水面积、现场土地面积、潜在热回收能力、建筑物高度和规模、机房面积和当地规划要求。
太阳能热泵是将太阳能作为热泵热源的热泵系统。
可以说太阳能是地球上一切能的主要来源，是无穷无尽无公害的干净能源，也是21世纪以后人类可期待的最有希望的能源。我国地域辽阔，年日照时间大于2000h的地区约占全国国土面积的2/3，处于利用太阳能较有利的区域内。
太阳辐射热量有季节、昼夜的规律变化，同时还受阴晴云雨等随机因素的强烈影响，故太阳辐射热量具有很大的不稳定性。要利用太阳能，必须要解决太阳能的间歇性和不可靠性问题。因此，太阳能集热器将热量储存在一大容量的蓄热槽中，热泵吸收蓄热槽中的热量，就可实现向房屋供暖。
3 地源热泵、太阳能热泵系统的设计要点
3.1 地源热泵空调系统的设计基础资料
地源热泵空调系统设计的基础资料除了与一般空调系统共同之外，还必须提供以下资料：
（1）总平面的水文地质、地表情况。主要包括项目范围的物理尺寸和形状、现存和规划的建筑物、树木和地面的设施、自然或人造地表水资源的分类和范围、现有水井和腐化系统、人行道、附属建筑物和地下服务设施、推荐系统的潜在位置等。
（2）地质和水文地质的成分调查报告。这主要是为土壤地源热泵和地下水热泵提供设计所需的资料，应由有关专业的水文地质人员来完成。
（3）地表水应用调查报告。这主要是为地表水地源热泵提供设计所需的资料，当然也应由当地的有关部门来完成。
（4）地下水系统试验井的调查报告。试验为了评价项目工地的地下水资料而设置，一般2700㎡建筑物地下水系统推荐一个试验井，较大的建筑物应有两个试验井。
（5）垂直地下热交换器系统的试验孔调查报告。从物理学角度看，试验孔基本上与试验井是相同的。然而，他们的目的却不同，试验孔将提供设计和安装垂直地下热交换器系统所需的数值，而试验井的目的则在于提供地下水资源的能力。试验孔的孔数同样推荐2700㎡以下建筑物用一个孔，较大的用2个孔，由于不用抽水，其孔径可用DN50的套管，孔深应在计划热交换孔最深处之下17m。
（6）水平地下热交换器的试验坑调查报告。试验坑是为水平地下热交换器设计前提供表面状态的知识。推荐每公顷最少挖四条坑，大于2公顷的现场至少挖二条坑，坑深应比计划热交换器最深处再深1m。
（7）监视井。监视井是为了收集地下的数据包括地下温度、地下水水位和地下水质量。
（8）水的质量。不论是地表水还是地下水的质量，对于地源热泵的各种系统都会在经济上带有很大的影响，所以保证水的质量是十分重要的。
3.2 地下水系统设计
如果地下水有足够的量、水质也较好，有开采手段，当地规定又允许，就应该考虑此系统设计，现场调查将对以上问题给予确认，以下是一些基本原则：
（1）水井流量要求是由计算的最大得热量和最大释热量确定。
（2）地下水系统应使用304号不锈钢板式热交换器进行水井水和建筑物循环水热交换。
（3）对一个开放式系统，建筑物最好是低层结构以便减少水泵的耗能。
（4）如果选择一个带有板式热交换器的闭式地下水系统，建筑物的高度就不必考虑。
（5）地下水系统的运行温度要求管道保温，闭式地下水系统的循环水路要求防冻。
（6）地下水系统的投资效益比，较大的建筑物比小的建筑物好，因为地下水供回井的投资并不是随容量的增加而线性上升。
（7） 热泵选择的使用温度在冬季从北方的4.4℃到南方的10℃；夏季从北方的4.4℃到南方的29.5℃以上（美国资料）。
3.3 地表水系统设计
如果存在地表水或通过开发能够产生的话，则应该考虑该系统。以下是一些基本原则：
（1）通常在商业/公用建筑开发过程中要解决排水问题，要径流保存、或从美学观点看要有“反射”池，这样会产生大量的水。
（2）地表水的表面面积和深度分别为每冷吨
不小于3000ft2(287.7㎡)和每冷吨不小于6ft2(1.83㎡) 以满足供冷设计工况下的得热量和供热设计工况下的释热量。
（3）没有建筑高度的限制，仅要求水的表面积和深度与热负荷相适应。
（4）热泵选择时的使用进水温度，供热时从北方的-1.1℃到南方的12.8℃； 供冷时从北方的26.7℃以下到南方的35℃以上。
3.4 土壤热交换器系统（土壤）设计
土壤热换热器所需的地面面积取决于是选择垂直方式还是水平方式，并考虑以下原则：
（1）大于20冷吨小于30冷吨，对于水平热交换器，一个典型的停车场的地表面积不够。
（2）大于100冷吨小于200冷吨，一个典型的停车场的地表面积不能满足垂直热交换器的要求。
（3）垂直热交换器通常用在6层以下的建筑物以至满足所用管道的压力要求，除非选用耐压更高的管道，然而高强度管比较昂贵且难以加工。
（4）对水平热交换器，建筑高度不是问题，埋设土壤热交换器的地面面积是唯一的限制。
（5）如果使用闭路的水冷却器或其他类型的散热设备，不管是垂直的还是水平的热交换器，一个典型的停车场的面积可满足总冷吨数的25%以上，视不同的供热供冷负荷来确定散热设备，以补充土壤热交换器的冷却容量。
（6）许多采用地源热泵系统的商用或公用项目，还可考虑适合热交换器安装的其他有关地域，如运动场、草坪和公园等。
（7）水管需要保温以防结露，除非水环路温度总是高于7.2-10℃。除了一些有大型内区/外区的建筑，其冷负荷为主，或位于南方的建筑以外，都要考虑防冻问题。
（8）热泵选择时的使用进水温度，供热时从北方地区较小的以周边区为主的建筑的-1.1℃到南方的12.8℃；供冷时从北方的32.2℃到南方的40.6℃。
（9）目前最常用的管道材料是聚乙烯和聚丁烯管材料。这些材料可以弯曲或热熔形成比管道本身更牢固的连接，可以保证使用50年以上。PVC管不推荐用于地下热交换器埋地部分。
3.5 地源热泵应用时注意事项
（1）热泵用于冬季采暖时，应根据其实际工况下的供水温度，校核末端设备的供热能力。
（2）应作好水源的可行性研究，调查拟利用水源的条件（水量、水温、水质），以确定具体的供水方案。
（3）利用地下水或地表水作热泵热源时，应保证水质符合机组的使用要求。当水中含砂量较高时，可在水源水管路中设置旋流除砂器或沉淀除砂池， 以避免机组和管路磨损和堵塞； 当混浊度>20mg/L时，应安装净水器加以过滤；水源CaO 含量应
结垢；水的矿化度（单位容积水中所含的各种离子、化合物的总量）
350-500mg/L时，应安装不锈钢板式换热器；当矿化度>500mg/L时，应安装抗腐蚀性强的钛合金板式换热器。水的PH值应为6.5-8.5，否则应设置相应的水处理设备。
（4）利用地下水作为热源的热泵，地下水要在封闭管路内运行，防止地下水源污染，并应回灌。无压自流式回灌适合于含水层渗透性好、井中有回灌水位和静止水位差，并应根据水文地质条件确定适当的采灌比。
（5）为预防和处理回灌井的堵塞，应适当回扬。回扬次数和回扬持续时间根据含水层颗粒大小和渗透性而定。对岩溶裂隙含水层可以不回扬；对松散大颗粒含水层回扬1-2次/周，在中、细颗粒含水层回扬1-2次/天。
（6）地表水水温随季节、纬度和海拔不同而变化，在长江以北冬季地表水可能结冰，热泵系统应采取必要的防冻措施。地下水水温在近地表处为变温带，再向下是恒温带，一般恒温带水温为10-20℃，可以作为热泵的热源；如在变温带取水，则要防止水结冰。
（7）当热泵停止工作时，要有可靠的防冻措施。
（8）在建筑容积率较低的地区，可以利用土壤作为热源的热泵。
3.6 太阳能热泵设计要点
（1）集热器是太阳能供热、供冷中最重要的组成部分，其性能与成本对整个系统的成败起着决定性作用。为此，常在10-20℃低温下集热，再由热泵装置进行升温的太阳能供热系统，是一种利用太阳能较好的方案。即把10-20℃较低的太阳热能经热泵提升到30-50℃，再供热。
（2）解决好太阳能利用的间歇性和不可靠性问题。太阳能热泵的系统中，由于太阳能是一个强度多变的低位热源，一般都设太阳能蓄热器，常用的有蓄热水槽、岩石蓄热器等。热泵系统中的蓄热器可以用于储存低温热源的能量，将由集热器获得的低位热量储存起来，蓄热器有的分别装在热泵低温侧（10-20℃）和高温侧（30-50℃）两边，有的只装在低温侧。因为只在高温侧一边设置蓄热槽，热
泵热源侧的温度变化大，影响热泵工况的稳定性。日照不足的过渡季可简单地用卵石床蓄热。
（3）设计太阳能热泵集热系统时，有两个主要设计参数是必需计算研究的：太阳能集热器的面积；太阳能集热器的安装倾角。
太阳能集热系统设计原则：
①太阳能集热器在冬季作用，必须具有良好的防冻性能，目前各类真空管太阳能集热器
可基本满足要求，但其它类型的集热器则应配备防冻功能。
②太阳能集热器的安装倾角，应使冬季最冷月——1月份集热器表面上接收的入射太阳辐射量最大。
③确定太阳能集热器面积时，应对设计流量下适宜的集热器出水温度进行合理选择，避免确定的集热器面积过大。
④必须配置可靠的系统控制设施，以便在太阳能供热状态和辅助热源供热状态之间做灵活切换，保证系统正常运行。
（4）在太阳能集热器的选型上，要合理确定冬季热泵供热用太阳能集热量和夏季生活热水用热量以及冬季辅助加热量，作到投资运行最佳效益。
4 地源热泵的技术经济分析
（1）地源热泵的技术特点
由于地源热泵系统采取了特殊的换热方式，使
它具有普通中央空调系统无可比拟的优点：高效、节能；环保、无污染；运行费用及维护费用低；简单的控制设备；运行灵活，系统可靠性强；节省占地空间，较长的使用寿命，易于管理，应用灵活，可提供生活热水。
（2）投资概算
据测算，如采用地下水式地源热泵，初投资约为300-400元/㎡，与采用国产2 管冷水机组加锅炉式中央空调系统的初投资大致相同或略低；如采取土壤地源热泵系统，初投资约为400-500元/㎡。
采用地源热泵作为楼宇空调系统，其运行费用可大大降低。据国外实际运行数据并结合我国具体情况计算分析，用地源热泵系统供暖时，其运行费用可比传统中央空调系统降低25-50%；用地源热泵系统制冷时，其运行费用可比传统中央空调系统降低15-30%。
5 发展前景
地源热泵、太阳能热泵在建筑中的应用是综合利用可再生能源、走可持续发展道路的成熟而有效的手段。我国地域广阔，蕴藏着丰富的地表浅层地能资源和太阳能资源，在建筑中因地制宜地采用不同形式的地源热泵和太阳能热泵技术进行采暖和空调，可有效地促进建筑节能水平的提高和人民生活水平的改善，既节约了能源，又保护了环境，符合国家资源和环境战略。总之，地源热泵、太阳能热泵有着非常广阔的发展前景。
