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【摘要】从地源热泵的分类和工作原理的研究思路出发，深入探讨了地源热泵技术在暖通空调中的使用后的节能结果，并以某别墅安装地源热泵系统的实例，分析了地源热泵系统的经济性。
【关键词】地源热泵；空调；节能；经济性
中图分类号：TE08 文献标识码：A
一、前言
空调虽然给我们带来了更加舒适的生活，但是空调高耗能的问题也成为了限制其广泛使用的重要因素。将地源热泵技术应用于空调节能中，空调的经济性是今后应用的方向。
二、地源热泵的分类及工作原理
1、地源热泵的概念
地源热泵系统是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源系统。该系统依靠少量的高位能源（如电能），实现低位能源向高位能的转移，从而达到冬季取热储冷，夏季取冷储热的高效率节能效果，已经成为了当下备受推崇的高效率、高环保取暖和制冷系统，是一种集经济效益、社会效益和生态效益于一身的社会公益技术，被誉为二十一世纪的“绿色空调技术”。
2、地源热泵的分类
根据地热源的种类和方式不同，地源热泵可分为以下三类：
（一）土壤源热泵
土壤源热源（也叫大地耦合式热泵）系统只需在建筑物的周边空地、道路或停车场钻一些地耦管孔并埋入水管，注满水后形成一个封闭的水循环，利用水的循环和地下土壤换热，将能量在室内和地下土壤之间进行转换。故该系统不需要直接抽取地下水，不会对本地区地下水平衡和地下水的品质造成任何影响，不会受到国家地下水资源政策的限制。
（二）地下水热泵系统
该系统适合于地下水资源丰富，并且当地资源管理部门允许开采利用地下水的场合。根据其在建筑物内循环水系统的关系，分为开式环路地下水系统和闭式环路地下水系统，前者地下水直接供给水源热泵机组，后者使用板式换热器把建筑物内循环系统和地下水循环系统分开。
（三）地表水热泵系统
地表水热泵系统是利用地表水资源，既可供暖又可制冷的高效节能热泵系统，可利用的地表水的主要形式有：流动水体（江、河）和非流动水体（湖泊、水库、池塘等）。地表水热泵系统的优点在于投资成本较少、水泵耗能较低、维修次数少、运行成本低。在温暖地区，湖水可作为热源。
图1 地源热泵系统的一般形式
3、地源热泵的工作原理
地源热泵是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。 地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。
图2地源热泵工作原理示意图
三、地源热泵技术在空调节能中的运用
虽然地源热泵空调系统节能环保的优点很突出，然而，往往受各种客观条件的限制，并非适用于所有项目。任何一个地源热泵空调的项目启动前，都必须经过可行性研究论证，并选择合适的地源热泵系统。
1、对于只需制冷的工程
（一）最好不要使用闭式环路的地源热泵系统，因为闭式环路系统里面的冷却水和外界水源的温度一般有5—10℃的温差，不可否认的是机组的冷却水温度要低于冷却塔的出水温度，同时，能效比（EER）也比用冷却塔的冷水机组的能效比要高出很多，而且不会造成冷却塔的能耗过大，但是，其缺点也是很突出的，因为地下埋管和水中埋管所需要的费用很大，空调一年中使用的时间不多，导致投资得到回报的时间长。
（二）地源侧水是依靠地下热交换器来吸取土壤中的热量的，这种吸热方式比自身的放热更简单，根据现有的资料显示，有部分项目空调系统在使用过程中，机组高压保护会出现自动停机的现象。这种项目最好使用能效比（EER）较高的冷水机组，依靠冷却塔来排除所有的热量。所以，最合适的情况是，把闭环系统用在有冷热负荷情况的空调系统中，开环式地源热泵系统最好用于单冷空调，以及冷暖空调系统中。
2、如果土壤的面积不大，不可以满足冬季室内所需要的热负荷，那么地下换热器最好配上锅炉等辅助热源，在夏季温度比较高的时候，要使用冷却塔。冷却系统的构成要素比较多，因此，到底要不要使用地源热泵，要根据技术经济的分析来决定。假如，地下换热器的换热能力已经可以达到冬季热负荷的指标，只是没有符合夏季冷负荷指标，那么，只需增加冷却塔就可以了。遇到冷、热负荷相差过大的时候，可以使用埋管加冷却塔的方法来降低项目的费用支出，这个设置的方案中没有用到锅炉，系统组成极其简易，可以大大的降低费用支出。
3、在高层建筑项目中，遇到空调系统是按层、按区域来划分控制的情况，地源采用的如果是垂直埋管方式，就要调高埋管的耐压度，垂直埋管一般在45m—150m之间，如果建筑物达到了9层，系统静压有可能会大于管道的额定压力，但由于地下水的静压可以抵消一部分的压力，所以，垂直埋管基本可以使用在高层建筑中。对于那些超高层的建筑，最好使用板式换热器来区分地源侧水作高低压的不同区域，或者在某个层数之上开始不使用分区域控制的办法，而是在比较低高度的楼层中配置水地源热泵机组，由它来为更高处的楼层的末端设备供给冷（热）媒水。
4、机组的选用要与地源热泵系统类型相匹配
有些机组只能够在水环热泵空调系统中得到使用，有的机组则比较适合使用在开环式地源热泵空调系统中，有些机组可以使用在每一种系统中，但是由于名称上不容易区分，容易导致真正采购的时候出现错误，因此，在进购的时候一定要注意区别。
5、关于机组的能效比和性能系数
在具体安装施工中，必须优选机组，在对设备进行分析和评价的时候，一定要针对不同制造公司的机组展开评价，把能效比（EER）和性能系数（COP）这两个要素进行比对。即使是一个制造商生产的不同批号的机组，在一个工作环境下，能效比和性能系数也可能会有很多的不同之处，例如国外某品牌的机组，冷量从0.75冷吨到25冷吨有多种规格，在同一制冷工况下，EER值高的为7.0，低的只有4.6；在同一制热工况下，COP高的可达5.0，低的只有4.2。此外，各厂家的EER和COP值可能是在标准名义工况下测定的，而机组的EER和COP值随工况不同而有较大的变化。
四、地源热泵系统在建筑设计中的经济性比较
地源热泵使用效率高，环保节能的技术，但地源热泵的经济竞争力也是必须考虑的问题之一。地源热泵系统使用环境不同、能源结构不同、市场价格不同，這些要素都可能会导致其经济性能受到影响。
以下以某别墅区的地源热泵和传统供暖空调系统的使用情况为例来进行经济比较。
该区内有别墅50套，总建筑面积1.8万平米，按热负荷指标55W/㎡和冷负荷指标80W/㎡来估算每套别墅及总的热（冷）负荷。现在对下面的三种方案的展开投资和运行成本进行了对比和研究，计算结果见表1：
1、每套别墅安装独立的供暖空调系统，假如冬天使用的是快装式燃气锅炉，那么，夏天就用分体空调，分体空调的EER以2.8的标准计算。
2、如果采用的是集中空调，假如冬天使用燃气类型的锅炉，夏天使用集中空调，EER以3.4的标准计算。
3、地源热泵使用的是水环路热泵空调系统，水源热泵的制热以及制冷EER以4来计算。这样就可以分析对比每一个方案中的单位面积消耗的气和电的多少，方案1的供暖空调气和电的费用支出高出了方案3的79%和43%，方案2的的供暖空调费用支出要比方案3超出了109%和57%。
4、地源热泵方案3的年耗气、电费用最小，比方案2少27.77万元，虽然方案3总投资比方案2高出42万元，但在2年之内即可将此差额收回。
5、地源热泵在别墅中应用实例：
北京龙脉温泉别墅：采用WFI-VKC080地源热泵机组一台用于采暖和制冷，VKC008地源热泵用于提供该建筑的全年生活用水。2008年5月份完工，冷暖季运行稳定，节能效果比原有燃油锅炉+风冷中央空调年节能四万元。
北京朝阳区扬州水乡（怡景城）别墅：采用了地源热泵+地板采暖系统，年节约经费两万多元，且舒适效果明显。
五、结束语
综上所述，地源热泵技术应用于暖通空调中效果显著，不仅可以大大提高暖通空调的使用效果，还可以大大降低暖通空调的耗能，从而节省建筑物使用过程中成本的支出。
【参考文献】
[1]万仁里，谈地源热泵，全国热泵和空调技术交流会论文集，2009．10，宁波.
[2]地源热泵系统设计与应用.北京：机械工业出版社2009.12.
【关键词】地源热泵；空调；节能；经济性
中图分类号：TE08 文献标识码：A
一、前言
空调虽然给我们带来了更加舒适的生活，但是空调高耗能的问题也成为了限制其广泛使用的重要因素。将地源热泵技术应用于空调节能中，空调的经济性是今后应用的方向。
二、地源热泵的分类及工作原理
1、地源热泵的概念
地源热泵系统是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源系统。该系统依靠少量的高位能源（如电能），实现低位能源向高位能的转移，从而达到冬季取热储冷，夏季取冷储热的高效率节能效果，已经成为了当下备受推崇的高效率、高环保取暖和制冷系统，是一种集经济效益、社会效益和生态效益于一身的社会公益技术，被誉为二十一世纪的“绿色空调技术”。
2、地源热泵的分类
根据地热源的种类和方式不同，地源热泵可分为以下三类：
（一）土壤源热泵
土壤源热源（也叫大地耦合式热泵）系统只需在建筑物的周边空地、道路或停车场钻一些地耦管孔并埋入水管，注满水后形成一个封闭的水循环，利用水的循环和地下土壤换热，将能量在室内和地下土壤之间进行转换。故该系统不需要直接抽取地下水，不会对本地区地下水平衡和地下水的品质造成任何影响，不会受到国家地下水资源政策的限制。
（二）地下水热泵系统
该系统适合于地下水资源丰富，并且当地资源管理部门允许开采利用地下水的场合。根据其在建筑物内循环水系统的关系，分为开式环路地下水系统和闭式环路地下水系统，前者地下水直接供给水源热泵机组，后者使用板式换热器把建筑物内循环系统和地下水循环系统分开。
（三）地表水热泵系统
地表水热泵系统是利用地表水资源，既可供暖又可制冷的高效节能热泵系统，可利用的地表水的主要形式有：流动水体（江、河）和非流动水体（湖泊、水库、池塘等）。地表水热泵系统的优点在于投资成本较少、水泵耗能较低、维修次数少、运行成本低。在温暖地区，湖水可作为热源。
图1 地源热泵系统的一般形式
3、地源热泵的工作原理
地源热泵是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。 地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。
图2地源热泵工作原理示意图
三、地源热泵技术在空调节能中的运用
虽然地源热泵空调系统节能环保的优点很突出，然而，往往受各种客观条件的限制，并非适用于所有项目。任何一个地源热泵空调的项目启动前，都必须经过可行性研究论证，并选择合适的地源热泵系统。
1、对于只需制冷的工程
（一）最好不要使用闭式环路的地源热泵系统，因为闭式环路系统里面的冷却水和外界水源的温度一般有5—10℃的温差，不可否认的是机组的冷却水温度要低于冷却塔的出水温度，同时，能效比（EER）也比用冷却塔的冷水机组的能效比要高出很多，而且不会造成冷却塔的能耗过大，但是，其缺点也是很突出的，因为地下埋管和水中埋管所需要的费用很大，空调一年中使用的时间不多，导致投资得到回报的时间长。
（二）地源侧水是依靠地下热交换器来吸取土壤中的热量的，这种吸热方式比自身的放热更简单，根据现有的资料显示，有部分项目空调系统在使用过程中，机组高压保护会出现自动停机的现象。这种项目最好使用能效比（EER）较高的冷水机组，依靠冷却塔来排除所有的热量。所以，最合适的情况是，把闭环系统用在有冷热负荷情况的空调系统中，开环式地源热泵系统最好用于单冷空调，以及冷暖空调系统中。
2、如果土壤的面积不大，不可以满足冬季室内所需要的热负荷，那么地下换热器最好配上锅炉等辅助热源，在夏季温度比较高的时候，要使用冷却塔。冷却系统的构成要素比较多，因此，到底要不要使用地源热泵，要根据技术经济的分析来决定。假如，地下换热器的换热能力已经可以达到冬季热负荷的指标，只是没有符合夏季冷负荷指标，那么，只需增加冷却塔就可以了。遇到冷、热负荷相差过大的时候，可以使用埋管加冷却塔的方法来降低项目的费用支出，这个设置的方案中没有用到锅炉，系统组成极其简易，可以大大的降低费用支出。
3、在高层建筑项目中，遇到空调系统是按层、按区域来划分控制的情况，地源采用的如果是垂直埋管方式，就要调高埋管的耐压度，垂直埋管一般在45m—150m之间，如果建筑物达到了9层，系统静压有可能会大于管道的额定压力，但由于地下水的静压可以抵消一部分的压力，所以，垂直埋管基本可以使用在高层建筑中。对于那些超高层的建筑，最好使用板式换热器来区分地源侧水作高低压的不同区域，或者在某个层数之上开始不使用分区域控制的办法，而是在比较低高度的楼层中配置水地源热泵机组，由它来为更高处的楼层的末端设备供给冷（热）媒水。
4、机组的选用要与地源热泵系统类型相匹配
有些机组只能够在水环热泵空调系统中得到使用，有的机组则比较适合使用在开环式地源热泵空调系统中，有些机组可以使用在每一种系统中，但是由于名称上不容易区分，容易导致真正采购的时候出现错误，因此，在进购的时候一定要注意区别。
5、关于机组的能效比和性能系数
在具体安装施工中，必须优选机组，在对设备进行分析和评价的时候，一定要针对不同制造公司的机组展开评价，把能效比（EER）和性能系数（COP）这两个要素进行比对。即使是一个制造商生产的不同批号的机组，在一个工作环境下，能效比和性能系数也可能会有很多的不同之处，例如国外某品牌的机组，冷量从0.75冷吨到25冷吨有多种规格，在同一制冷工况下，EER值高的为7.0，低的只有4.6；在同一制热工况下，COP高的可达5.0，低的只有4.2。此外，各厂家的EER和COP值可能是在标准名义工况下测定的，而机组的EER和COP值随工况不同而有较大的变化。
四、地源热泵系统在建筑设计中的经济性比较
地源热泵使用效率高，环保节能的技术，但地源热泵的经济竞争力也是必须考虑的问题之一。地源热泵系统使用环境不同、能源结构不同、市场价格不同，這些要素都可能会导致其经济性能受到影响。
以下以某别墅区的地源热泵和传统供暖空调系统的使用情况为例来进行经济比较。
该区内有别墅50套，总建筑面积1.8万平米，按热负荷指标55W/㎡和冷负荷指标80W/㎡来估算每套别墅及总的热（冷）负荷。现在对下面的三种方案的展开投资和运行成本进行了对比和研究，计算结果见表1：
1、每套别墅安装独立的供暖空调系统，假如冬天使用的是快装式燃气锅炉，那么，夏天就用分体空调，分体空调的EER以2.8的标准计算。
2、如果采用的是集中空调，假如冬天使用燃气类型的锅炉，夏天使用集中空调，EER以3.4的标准计算。
3、地源热泵使用的是水环路热泵空调系统，水源热泵的制热以及制冷EER以4来计算。这样就可以分析对比每一个方案中的单位面积消耗的气和电的多少，方案1的供暖空调气和电的费用支出高出了方案3的79%和43%，方案2的的供暖空调费用支出要比方案3超出了109%和57%。
4、地源热泵方案3的年耗气、电费用最小，比方案2少27.77万元，虽然方案3总投资比方案2高出42万元，但在2年之内即可将此差额收回。
5、地源热泵在别墅中应用实例：
北京龙脉温泉别墅：采用WFI-VKC080地源热泵机组一台用于采暖和制冷，VKC008地源热泵用于提供该建筑的全年生活用水。2008年5月份完工，冷暖季运行稳定，节能效果比原有燃油锅炉+风冷中央空调年节能四万元。
北京朝阳区扬州水乡（怡景城）别墅：采用了地源热泵+地板采暖系统，年节约经费两万多元，且舒适效果明显。
五、结束语
综上所述，地源热泵技术应用于暖通空调中效果显著，不仅可以大大提高暖通空调的使用效果，还可以大大降低暖通空调的耗能，从而节省建筑物使用过程中成本的支出。
【参考文献】
[1]万仁里，谈地源热泵，全国热泵和空调技术交流会论文集，2009．10，宁波.
[2]地源热泵系统设计与应用.北京：机械工业出版社2009.12.