地源热泵技术与应用实例
蔡建新
（天津京津塘地热科技开发有限公司）
1 地源热泵原理及其特点
1.1 地源热泵原理
地源热泵的原理与普通热泵原理相同，只是为热泵提供的热源是利用自然界中的水、土壤等能汇集地下热能，太阳能等的自然介质中存储的热源（图1）。
图1 热泵原理图
如果建筑附近有可利用的湖、海或水池，并且水温合适（10～20℃）利用地表水系统是最节能，最经济的。夏季冷凝器吸热后的冷却水经管道进湖、海或水池，利用温度较低的地表来散热；冬季吸收海、湖或池内水的热量，用作热泵的低温热源，经热泵汇集后升温传递给室内采暖。利用地表水的地源热泵系统，最适宜的区域是我国的黄河以南到长江、珠江流域的夏热冬冷地区。
地下水系统一般采用开放的循环系统。地下井水经热泵吸热后（冬季放热）向地下深井中放热（冬季吸热）。地下水系统适用于地下水丰富的地区。地下水的温度常年稳定，基本不受外界气温影响，可以让热泵机组高效运行。
对于地表水和地下水源缺乏以及地下水开采受限制的地区，土壤埋管系统将是最佳选择。将管道埋于地下浅层土壤中，循环水经水管与地下土壤进行热交换，夏季土壤作为热汇吸收热量，冬季作为热源为热泵机组提供热量。水平埋管通常用于浅层埋设，开控技术要求不高，但换热能力相对较小，占地面积大；垂直U型埋管换热能力强，可占相对较小土地面积。北方地区因冬季采暖需热量大，通常需采用垂直埋管方式。
1.2 地源热泵特点
1.2.1 地源热泵是清洁的可再生能源利用技术
地表浅层土壤和水体是一个巨大的太阳集热器，同时地球深部的热能也会通过地表向大气层散失。人类每年消耗的全部能量，只是地表吸收和散发的太阳能和地热能的极小的一部分。地表能量被利用后，可由太阳能和地球深部传导上来的热量很快平衡，不会对自然界的能量系统造成不良影响。因此浅层地表能量是一个取之不尽的可再生清洁能源库。
1.2.2 是高效节能的技术
热泵本身的制热效率就比较高。因为热泵产生的热主要不是因燃烧或电加热而直接产生的热量，而是从低温热源中转移过来的热量。我们可以通过一次能源利用率来说明热泵的高效率。
能源利用系数E为装置的制热量与消耗的初级能量的比值。
假设热泵消耗的能量是电，火力发电的效率为0.35，输配电的效率是0.95则热泵E值为：
E＝0.35∗0.95∗COP（COP为热泵的制热性系数）
表1 热泵供热时与传统的供热方式E值相当的COP值
现在高效热泵的COP都能达到3.5～4以上，因此，E＝0.35×0.95×4＝1.33。由此可以看出，热泵在利用一次能源（燃煤）的总体效率上，比效率最高的热电联产的效率还要高。
此外地源热泵的土壤换热器、地下水、地表水作为热源或热汇，冬季在制热运行时，地下水温比环境温度高，使水源热泵的蒸发温度，比其他类型比如风冷热泵的蒸发温度大大提高，且没有化霜操作，所以能效比提高很多，至少在40%以上；夏季制冷时由于地下水，地表水温度比环境气温低，冷凝压力降低，压缩机输入功率减小，使制冷性能比风冷或冷却塔式制冷机组有较大提高。大量测试数据表明，由此导致的机组效率提高，节能20%以上。风冷热泵效率低与地源热泵相比差距大。最节能的风冷空调能耗比也只有2.8。而地源热泵夏季空调时的最低能耗比也在4以上。
1.2.3 环境保护
地源热泵抽取地表水或地下水，并保证100%地下水回灌，甚至不抽取地下水（土壤换热器），对环境不产生破坏作用。热泵以电为驱动力，运行时不直接产生对环境的有害污染，而大规模火力发电则已有成熟的技术降低或治理污染物排放，（如果是水电或核电污染更低）。因此地源热泵系统具有相当好的环境保护效果。
1.2.4 一机多用运行稳定可靠
地源热泵系统可供暖、制冷和提供生活热水，对于同时需求供暖、供冷的建筑，地源热泵一套系统就可同时解决，节省了建筑的配套建设费用和配套设施占用面积。
另外地表水，地下水和浅层地温的变化范围远小于环境气温的变化范围，使地源热泵全年运行稳定，再配合热泵系统自动化程度高，保证了地源热泵采暖、空调系统比传统的采暖、空调系统具有更高的安全性。
1.2.5 应用市场广泛，适用性强
（1）我国绝大多数地域属于夏热冬冷的地区，对建筑采暖用热和空调用冷均可统一于地源热泵系统，尤其对于办公或商务建筑，基本都要求集中空调空调系统。采用地源热泵既解决了采暖又解决了空调，一举两得。
（2）建筑能耗所占能源消耗比例越来越大，发达国家比例达到40%～45%，我国已达到35%。而建筑能耗可以利用温度较低的低品质能量，因此将地源热泵系统在建筑采暖空调领域利用最具经济性、合理性。
2 工程应用案例
几年来，天津京津塘地热科技开发有限公司设计、施工了不少地源热泵空调项目。下面简单给大家介绍一下。
2.1 天津开发区海滨大道发展有限公司办公楼（2002年）
原始设计参数：建筑面积：2400m2；设计热负荷：189kW；设计冷负荷：236kW。
土壤换热器：设计孔深；100m；设计孔数：40。热泵机组：西亚特LWP900 1台；制冷：254kW；制热：339kW。
海滨大道有限公司机房
表2
2.2 中国华能集团小汤山培训中心（2005年）
中国华能集团小汤山培训中心原建筑面积10000m2；原采暖系统为地热井；原空调系统为冷却塔中央空调。新增加建筑面积：20000m2。原有地热井一眼，地热井的具体参数如下：地热井温度：65 ℃；最大水量为：80m3/h；原排水温度：40 ℃；最大热量：2326kW；北京地热水资源费：3元/m3。
因为如果地热井故障，会导致建筑停止供暖8～24小时。所以鉴于采暖安全性和经济性考虑，决定增加地源热泵作为新建筑的中央空调系统，和地热井的热源互为备用。并且可以考虑利用地热井采暖的成本如果太高，可以改为部分利用或全部利用地源热泵。
设计孔深；150m；设计孔数：200；热泵机组：克莱门特热泵2台PSRHH3002；制冷：1092kW，制热：1280kW。
2.3 塘沽凯华商业广场（2005年）
建筑面积4000m2，设计热负荷：240kW，设计冷负荷：320kW。土壤换热器：设计孔深为100m，设计孔数26个，桩埋管数量：3670m。热泵机组：西亚特LWP1200 1台，制冷343kW，制热452kW。
3 设计和工程中存在的问题
（1）关于地下水源开采—回灌和土壤换热器的比较：近几年来地源热泵的发展主要形式是地下水源开采—回灌形式的水源热泵系统。这种形式面临的最大问题是回灌问题。华北、华东地区的地下水位下降，地面沉降问题一直很严重，像天津、上海，多年来面临严重的地面沉降问题，天津有专门的地面沉降办公室，在利用向地下回灌来控制地面沉降的技术已经搞了很多年，积累了很多经验教训，也知道这种地层回灌难度有多大。天津水务部门一直没有开放对利用地下水源用作热泵低温热源或热汇的控制。
在天津地区地下咸水层浅，开凿竖井埋管时会连通咸淡水层，为防止水层连通，要采取必要的措施。并且天津市水利部门加强了对此工作的管理，实施行政许可管理。
采用竖直埋管的土壤换热器形式，不用开采和回灌地下水，没有破坏自然环境的担忧。另外的优点是系统运行更加稳定、安全，没有需要更新和维修潜水泵的烦恼。
（2）冬季避免采用防冻液介质。很多资料中介绍了防冻液的种类、性能等。但我认为在我国华北及以南区域，因为地下温度不是很低，只要设计足够的土壤换热器数量，可以在使用水作为介质的情况下满足需要。尽量不使用防冻液，避免使用不慎造成环境问题和因温度太低降低热泵效率。
（3）系统的管材质量必须保证合格，只能采用PE或PB管材。土壤换热器系统设计要保证水系统平衡，避免采用室外阀门调节的方式。
（4）关于竖直埋管埋设单U型或双U型管的问题，但从工程实践中看，我认为单U型管方式优于双U型管方式。该问题讨论比较复杂，要从土壤换热器的总体能量容量考虑。土壤换热器的总体能量容量还涉及到换热器的布局形状等问题。希望有机会再专门讨论该问题。
参考资料
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［3］付祥钊主编.夏热冬冷地区建筑节能技术.北京：中国建筑工业出版社
［4］徐伟等译.地源热泵工程技术指南.北京：中国建筑工业出版社
沼气可以做饭、点灯、洗浴（沼气热水器）、取暖、消毒、孵化家禽、储粮保鲜、灭虫和点灯诱蛾，还可以发电用于副业加工等方面，节省的麦秸等用做大牲畜饲料，促进养殖业的发展，节省的柴草保护了森林植被，使生态环境得到改善。同时，1米3沼气可发电1.25℃、供载3吨的汽车行驶2.8千米、供1马力（相当于735.499瓦）内燃机工作2小时、相当于60～100瓦电灯光的沼气灯照明6小时、相当于0.7千克的汽油、0.4千克的煤油。
山东滕州市位于山东省南部，地处温暖带半湿润地区，阳光充沛，年均日照2383小时，历年平均气温13.6℃，最热月为7月，平均气温26.9℃；非常适合太阳能热泵供热采暖工程的建设条件。
座落在滕州经济开发区山东光普是专业从事太阳能光热利用产品的研制开发、生产制造和市场推广的高科技民营企业。公司综合考虑滕州当地的气候条件、环保要求、燃料结构、能源效益和经济承受能力等因素，在公司办公楼的楼顶建设了太阳能热泵供热采暖工程，该采暖以“节能、高效、稳定、可靠”为技术特点。将太阳能与空气源热泵结合起来进行供热采暖，进一步提高了能源利用率，降低了热泵热水系统地域的限制条件，最大程度地改善了系统整体运行。
系统控制器是采用台达的可编程控制器作为核心控制器，PLC通过温度、压力、流量、液位等参数来控制系统的运行、检测系统的故障、驱动系统各部件的运行等功能，系统借助于计算机软件，可以实现远程监控功能。该工程实例中以低碳节能高效多能互补的供热系统为公司职工提供安全舒适的生活热水，并为公司办公楼提供采暖用热。
2太阳能与空气源热泵工作原理及设计特点
太阳能热泵是将空气能热泵与太阳能集热系统相结合的一种装置，在有太阳辐射时，系统转化为太阳能热泵原理制热；在阴雨天或夜晚没有太阳辐射时，系统转化为空气能热泵原理制热。系统装置既能保证供热的稳定，又具有相对空气能热泵和太阳能集热系统较高的制热效率，通过对办公楼顶的太阳能与热泵供热采暖工程的测试和应用，节能效果显著。
该太阳能与热泵供热采暖工程工作原理：利用卡诺循环的原理，将太阳能集热器制成太阳能和空气能集热蒸发器，集热蒸发器中的制冷剂工质直接吸收太阳能辐射能（有太阳辐射时的工况）和空气能（夜晚或阴雨天的工况）低温蒸发，经压缩机压缩排出高温高压的制冷剂蒸汽进入高温冷凝器冷凝放热，冷凝液在高低压差的作用下通过热力膨胀阀降压降温进入蒸发器中吸热蒸发，从而形成一个热泵工作循环。系统实现了花少量的电能，将大量的热能从低温热源向高温热源的输送，输送的热量除以所花电能称为热泵的能效比（COP）。
本采暖供热工程的系统特点：
1. 现场监控技术：该工程以太阳能集热器吸收太阳能作为主要供热源，以空气源热泵作为辅助热源，大大降低了普通热泵热水系统的地域光照等限制，并采用PLC作为控制器，通过计算机与系统控制器以及其他设备的通讯，使其具有现场实时模拟、故障监测与诊断以及远程通讯、远程控制及故障处理的功能。
2. 智能控制技术：系统采用智能微电脑自动控制技术，可自动快速达到设定水温、自动补水，保证输出水压恒定。供水温度在450℃~600℃范围内可调。
3. 民用商用皆可：系统出水速度快，开机10S后即有高温热水。出水量大，特别适合用于学校、酒店、医院等民用洗浴中心，也可为纺织、化工、轻工等行业提供商用大热水量热水。
4. 不受气候影响、阴晴两可：晴天利用太阳能进行加热，雨天及日照强度差时利用双热泵加热系统，系统平均热效率最高可达COP=4.5。
5. 设备安装灵活：集热系统与热泵机组可在屋顶安装，也可地面放置。
6. 高效经济、绿色环保：机组20小时产水量为12吨，投资报价约12万元，热水系统投资平均为1万元/ 吨，回收期18个月。绿色、环境友好型热水系统。
3太阳能热泵供热采暖系统相关设计
太阳能热泵是指把太阳能集热技术和热泵技术有机结合起来，利用太阳能作为蒸发器的主要热源，其他低品质能源作为辅助能源，经过热泵技术提升品质之后与太阳能热源协同作用的供热系统，太阳能热泵可同时提高太阳能集热器效率和热泵系统性能。
图1山东光普太阳能工程
3.1办公楼楼顶太阳能热泵供热采暖工程对工程中的系统控制进行了以下相关设计。
3.1.1通过检测系统的各种参数，为太阳能热水工程（系统）运行状态检测与控制，分析热泵热水系统能效匹配，确定系统的COP系数（能耗比）提供实时数据，与同类技术产品比较，具有明显的技术优势；
3.1.2通过对系统参数监控（远距离网络传输），及时、正确分析系统故障原因，并将故障分析结果反馈给用户，从而对系统进行及时维修，保证系统稳定和可靠的运行；
3.1.3对系统进行能源效率分析和经济性分析，效验太阳能空气源热泵系统与普通热泵系统相比其更加节能可靠。因此，研究太阳能空气源热泵热参数，对于提高系统的效率，改善系统运行性能，提高系统稳定性，构建节能、环保、经济、可靠的热泵系统有着深远的意义。
太阳能热泵热水系统相较于其他供热供暖供热水等系统具有明显的优势，相对于普通的电加热、煤气加热等热水器，它能在很大程度上节约能源，降低整体能耗和经济成本，也更加适应当今社会的能源发展。因此，研究该系统既能对可再生能源利用进行推广，节约社会资源，同时对新能源利用技术发展的促进和创新。
3.2水箱设计
3.2.1水箱类型
组合式不锈钢水箱：1000mm×1000mm 不锈钢板冲压，氩弧保护焊接拼装而成。
3.2.2水箱尺寸
内径：3000mm×5000mm×1500mm
外径：3100mm×5100mm×1600mm
3.2.3水箱材质及各部分板材厚度
采用1000mm×1000mm冲压模板，水箱内、外胆材质均为304-2B不锈钢，底部板材厚度2.0mm、侧下板材厚度2.0mm、侧上厚度1.5mm、顶部厚度1.2mm，水箱外胆厚度均为0.5mm。
3.2.4保温层厚度50mm~80mm（按要求）。
3.2.5底部基座钢制结构，材质为60mm槽钢焊接成型（防腐处理）填充承压、隔热、保温材料。
3.2.6水箱供水管径50mm、出水孔80mm、溢流孔50mm、泄水孔80mm。
3.2.7水箱内部图
4结束语
该公司500m2办公楼顶的太阳能与热泵供热采暖工程中太阳能与空气能热泵相结合互为辅助，保证了全年全气候供热，在实际运行过程中节能效果显著，环保和减排效果也很好，为全厂职工提供了生活热水并为办公楼提供了供暖热源。
太阳能和空气能热泵集成供热系统方案是近年来中央热水系统热源设备发展的新动向，且太阳能与热泵的集成有两种考虑模式：一是以太阳能加热为主，以空气能热泵加热为辅，但是前提是建筑允许放置太阳能集热板，有足够的的面积；二是以空气能热泵加热为主，太阳能加热为辅，该公司办公楼正好符合安装条件。
该采暖工程的运行模式是为了使空气源热泵在低温环境下还能高效、稳定、可靠运行，用太阳能作为其辅助热源或直接加热热水箱内的水或提供预热。
随着世界能源的日趋紧张和环保的压力增大，节能热水设备成了热水设备行业发展的焦点。
空气源无处不在，它是一种清洁的可再生能源。因此，该太阳能与热泵供热采暖工程是一种可持续发展的“绿色”的节能系统工程，可以解决燃油、燃气热水炉在城市发展的困境。（北京大学工学院包头研究院/付加庭
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文章关键词: 太阳能干燥 应用 装置 可行性
文章快照: ，照常进行干燥作业。此外，冬天也不存在冻结问题，全年均可利用。如果说太阳能热水器、太阳灶，太阳房以及太阳能制冷与空调等太阳能热利用项目更多地用于人们生活方面的话，太阳能干燥器则可直接应用于工农业生产的干燥作业。但从国内外太阳能干燥研究利用的现况看，能够真正交付生产使用、投入正常生产运行的太阳能干燥器并不多，要使太阳能干燥器被人们接受而广泛应用于工农业生产的干燥作业，关键在于结合实际研制出经济而又有效的太阳能干燥系统。中国科学院广州能源研播I究所做了一些试验研究和生产试验工作，前面介绍的三种类型干燥器的典型设计，在太阳能干燥利用研究中取得了初步成效，其中整体式太阳能干燥器于1984年研制成功，并在广东、广西等地推广应用；混合式太阳能干燥器于1986年投入广东省新会县供销社食品厂腐竹及凉果(蜜饯)干燥；复合式太阳能干燥器于1989年建成大型示范装置。1998年，在广州市食品公司磨碟沙食品厂按大型太阳能干燥器示范装置的模式，建成一个大型装置，采用太阳能腊肠干燥工艺，1998年获得国家发明专利。这些生产性试验装置自建成之日起成功地运行至今，操作管理方便、运行安全可靠、节煤省电、减少污染、提高产品质量，为产品出口提供了良好的加工条件。利用太阳能干燥技术，发展蔬菜、水果、药材等精加工，也是广大农村脱贫致富的一条有效途径。中科院广州能源所曾协助广东省高州县供销社果品厂建成一座太阳能干燥装置，不但使该厂扭亏为盈，而且促进了当地农村种植业的发展。因此对于太阳能干燥的应用要作进一步分析和研究，确定在什么条件下对何种物料利用太阳能才能够收到较好的效果。首先应根据干燥对象——物料的特性进行太阳能干燥器的选型，做好技术经济分析，作出合理的系统设计。其次，在采用太阳能干燥技术的同时，要研究太阳能干燥新工艺，最好与整个加工过程的技术革新或技术改造结合起来，充分发挥太阳能干燥器的作用。3结语综上所述，太阳能干燥是一项值得大力开发的应用技术，特别是在当前国家推行节能减排方针的形势下。太阳能干燥系统研究取得的成果及其推广应用于工农业生产的实践表明，太阳能干燥在技术经济上是可行的，具有良好的应用前景。但要使这项新兴的干燥技术应用于工农业生产，尚需对太阳能干燥系统、太阳能空气集热器加热系统的优化设计，太阳能与常规能源的结合方式，各种不同物料的太阳能干燥新工艺及其优化干燥工艺条件的自控系统等课题，进一步开展研究，以使太阳能干燥这项技术，更好地适应现代化生产干燥作业的需要。参考文献：[1]李宗楠，刘森元．我国太阳能干燥的现状与展望[J]．新能源，1982，4(2)．[2]李宗楠，仝兆丰．整体式太阳能干燥器及其性能评价[J]．太阳能学报，1989，10(1)：16—25．[3]刘森元，李宗楠，陈育文，等．一个实用混合式太阳能干燥装置[J]．太阳能学报，1987，8(3)：27—31．[4]刘森元，吴英，黄建明，等．太阳能低温干燥系统丁艺设计参数的研究[J]．太阳能学报，1989，10(1)：26—31．[5]王宝和，王喜忠．太阳能干燥[J]．南京林业大学学报(自然科学版)，1997(S1)：229—232．[6]赵云．太阳能谷物干燥装置的性能试验[J]．青海大学学报(自然科学版)，1998(1)：5—7．◇科学家开发纳米颗粒有机染料太阳能电池，0科学家开发纳米颗粒有机染料太阳能电池，新电池模块的关键组件是有机染料与纳米颗粒的组合，它可将太阳光转化为电力。由于该组件为半透明状，这使其更适用于集成。新的太阳能电池由Fraun．hofer太阳能系统学院开发。
相关文章:
[1] 农副产品的太阳能干燥 《农业工程技术：温室园艺》1991年06期
[2] 家用太阳能干燥器的设计问题 《云南师范大学学报：自然科学版》1992年02期
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[4] 几种农产品太阳能干燥方式 《太阳能》1995年03期
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