地源热泵的（详细）工作原理和技术经济分析

地源热泵是一种高效节能的空调系统，它利用地下浅层地热资源（也称为地面能，包括地下水，土壤或地表水等）提供热量和制冷资源. . 地源热泵通过输入少量的高级能量（例如电能），实现了将低温热能转换为高温能. 本文主要介绍了地源热泵的发展现状，特点，工作原理和分类，应用方法，技术经济性等.

首先，什么是地源热泵

地源热泵是一种高效节能的空调系统，它利用地下浅层地热资源（也称为地面能，包括地下水，土壤或地表水等）提供热量和制冷资源. . 地源热泵通过输入少量的高级能量（例如电能），实现了将低温热能转换为高温能. 地热在冬天被用作热泵加热的热源，在夏天被用作空调的冷却源. 也就是说，在冬天，地面能量的热量被“带走”，温度升高以提供室内供暖. 在夏天，室内热量被带走并释放到地面. 热泵单元的能量流是利用其消耗的能量（例如电能）将所有吸收的热能（即电能+吸收的热能）排放到高温热源. 消耗能量的功能是将制冷剂氟利昂压缩到高温高压状态，从而起到从低温热源吸收热能的作用. 请参阅能量流程图.

通常，地源热泵消耗1kW的能量，用户可以获得超过5kW的热量或4kW的制冷量，因此我们将其称为节能空调系统. 与锅炉（电，燃料）供热系统相比，锅炉供暖只能将90％以上的电能或70-90％的燃料内部能用作热量供用户使用，因此地源热泵是比电锅炉便宜；与燃油锅炉相比，三分之二的电能节省了一半以上的能源；由于地源热泵的热源温度一年四季都相对稳定，一般在10到25℃，其冷却和加热系数可以达到3.5到4.4，比传统的空气源热泵高约40％，它的运行成本是普通中央空调的50％到60％. 因此，在过去的十年中，特别是在过去的五年中，地源热泵空调系统在美国，加拿大和法国，瑞士，瑞典等国家的北美得到了快速发展. 中国的地源热泵市场也越来越活跃. 预计该技术将成为21世纪最有效的供暖和制冷空调技术.

二，地源热泵的最新发展

地源热泵的历史可以追溯到1912年的瑞士专利. 欧洲的第一台热泵机组于1938年制造. 它使用河流的低温热源向市政厅供热，输出热水温度可达60oC. 在冬季，热泵被用作供暖需求，而在夏天，它们也可以用于制冷. 1973年能源危机的加剧最终导致了热泵的发展. 目前，欧洲的热泵理论和技术已经得到了高度发展. 这种“双重利益”和环保设备已在法国，德国，日本和美国等发达国家广泛使用. 例如，在美国，截至1985年，全国有14,000台地源热泵，1997年安装了45,000台. 到目前为止，已安装了40万台，并且以每年10％的速度稳定增长. 1998年，美国商业建筑中的地源热泵系统占空调总拥有量的19％，其中新建筑占30％. 美国地源热泵行业已经建立了美国地源热泵协会，该协会由美国能源部，环境保护局，爱迪生电力研究所和许多地源热泵制造商组成. 该协会近年来将投资1亿美元用于开发和研究. 和推广工作. 美国计划实现到2001年每年安装40万个地源热泵的目标，届时它将减少100万吨的温室气体排放，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植100万英亩的树木，从而节约能源. 每年的成本达到4.2亿美元，自那时以来，每年的节能量又增加了1.70亿美元.

与美国地源热泵的发展不同，中欧和北欧国家（如瑞典，瑞士，奥地利，德国等国家）主要使用浅层地热资源，而地下土埋盘管（埋深<

近年来，中国的地源热泵业务已经开始，发展势头良好. 天津大学和清华大学已与相关公司组成了一个产学研联盟，以开发中国品牌的地源热泵系统. 已经建立了几个示范项目. 越来越多的中国用户开始熟悉地源热泵，人们对此怀有浓厚的兴趣，可以预见中国的地源热泵市场前景广阔. 之所以对中国地源热泵市场的发展前景持乐观态度，原因在于，一方面是为了节省常规能源，另一方面是在充分利用可再生能源. 另一方面，中国为热泵的研究和应用奠定了良好的基础. 早在1950年代，天津大学热能研究所的陆灿仁教授就对中国的热泵进行了最早的研究. 1965年，他成功开发了中国第一台水冷式热泵空调. 重庆建筑大学，天津商学院等单位也对地下盘管地源热泵进行了多年的研究. 在中国科学院广州能源研究所等单位也多次举办了全国热泵技术开发与应用研讨会. （地源热泵服务联盟）

三，地源热泵的特点

1. 可再生能源利用技术

地源热泵是一种加热和空调系统，它利用地球表面（通常小于400米深）的浅层地热资源作为能量转换的冷热源. 地表浅层地热资源可以称为地球能（Earth Energy），是指通过吸收太阳能和地热能而储存在地表土壤，地下水或河流，湖泊中的低温潜在热能. 浅层表面是一个巨大的太阳能收集器，可收集47％的太阳能，是人类每年使用的能量的500倍以上. 它不受区域，资源等的限制. 它确实很大且无处不在. 存储在浅层表面中的这种近乎无限的可再生能源使地面能源成为一种清洁的可再生能源.

2. 这是一种经济高效的节能技术

全年地热能或浅层地热资源的温度相对稳定，冬季温度高于环境空气，夏季温度低于环境空气. 它是良好的热泵热源和空调冷源. 这种温度特性使地面源热泵的运行效率比传统空调系统高40％，因此有必要节省能源并节省约40％的运行成本. 另外，地热的温度相对恒定，使热泵机组的运行更加可靠，稳定，也保证了系统的效率和经济性.

根据美国环境保护局EPA的估算，精心设计和安装的地源热泵可以为用户平均节省30％到40％的供暖，制冷和空调运行成本.

3. 巨大的环境效益

与空气源热泵相比，对地源热泵的污染减少了40％以上，与电加热相比，减少了70％以上. 如果结合其他节能措施，节能减排将更加明显. 尽管也使用制冷剂，但它比常规空调设备少25％. 它是一个自包含的系统，也就是说，该设备可以在工厂车间完全密封，从而大大降低了制冷剂泄漏的可能性. 该设备运行无任何污染，可以在居民区中建造，没有燃烧，排烟和废物，并且不需要堆放燃料废物的场所，也不需要长距离传输热量.

4. 一机多用，适用范围广

地源热泵系统可用于加热，空调和生活热水. 一台机器可以用于多种用途. 一个系统可以代替原来的两套锅炉或空调设备；它可用于旅馆，购物中心，办公楼，学校等建筑物，更适合别墅住宅中的暖气和空调.

此外，该装置的使用寿命很长，超过15年；该单元紧凑且节省空间；维护成本低；自动控制的程度很高，可以无人值守.

当然，像其他任何东西一样，地源热泵也不是完美的. 例如，其应用将受到不同地区，不同用户和国家能源政策，燃料价格的影响；一次性投资和运营成本会因用户而异. 地下水的使用将受到当地地下水资源的限制. 实际上，地源热泵不需要开采地下水. 所使用的地下水可以完全补给，而不会污染水质.

四，工作原理和分类

热泵的工作原理

自然界中的现象是，就像水从高处流向低处一样，热量也总是从高温流向低温. 但是人们可以创造机器，例如使用水泵将水从低处提高到高处，使用热泵可以将热量从低温吸收到高温. 因此，热泵本质上是一种热提升装置，其自身消耗一部分能量，挖掘出存储在环境介质中的能量，并提高了利用温度水平. 整个热泵设备消耗的功仅占热量供应的三分之二. 一个或更少，这也是热泵的节能功能.

热泵和制冷的原理与系统设备的组成和功能相同. 蒸汽压缩热泵（制冷）系统主要由压缩机，蒸发器，冷凝器和节流阀组成:

压缩机起着将循环工作流体从低温，低压压缩到高温高压的作用，是热泵（制冷）系统的核心.

蒸发器是一种输出制冷量的设备. 其作用是使流过节流阀的制冷剂液体蒸发，吸收被冷却物的热量，达到冷却的目的.

冷凝器是一种输出热量的设备. 蒸发器吸收的热量和压缩机消耗的功所转化的热量被冷凝器中的冷却介质带走，达到加热的目的.

膨胀阀或节流阀将节流循环工作流体的压力，并调节循环工作流体进入蒸发器的流量.

根据热力学第二定律，压缩机消耗的功（电能）起补偿作用，从而循环的工作介质不断从低温环境吸收热量并将热量释放到高温环境，并且来回循环.

热泵分类

热泵需要冷凝器的热量，而蒸发器则从环境中吸收热量. 此时，从环境中吸收热量的物体称为热源. 相反，冷却需要蒸发器的冷却能力，而冷凝器会将热量散发到环境中. 这时，将热量排放到环境中的物体称为冷源.

蒸发器冷凝器根据循环工作介质与环境热交换介质之间的差异地源热泵空调技术详细介绍，主要分为空气热交换和水热交换两种形式. 这样，根据与环境的热交换介质的不同，热泵或电冰箱可以分为水-水型，水-空气型，空气-水型和空气-空气型四种.

使用空气作为冷热源的热泵称为空气源热泵. 空气源热泵历史悠久，安装使用非常方便，应用广泛. 但是，由于气温的区域差异，中国的典型应用范围在长江以南. 在华北地区，冬季平均气温低于零摄氏度. 空气源热泵不仅运行条件差，稳定性差，而且由于结霜问题效率低.

将水用作冷热源的热泵称为水源热泵. 水是一种优良的热源，具有大的热容量和良好的传热性能. 通常，水源热泵的冷却热供应效率或容量高于空气源热泵的冷却热效率或容量. 但是，由于水源的限制，水源热泵的应用远远少于空气源热泵.

地源热泵的工作原理和分类

地源热泵是使用水源热泵的一种形式. 它利用水和地面能量（地下水，土壤或地表水）之间的冷热交换作为水源热泵的冷热源. 热量被“带走”以提供室内暖气. 此时，地面能量是一个“热源”. 在夏季，室内热量被带出并释放到地下水，土壤或地表水中，此时地面能量是“冷源”.

地源热泵供暖空调系统主要分为三部分: 室外地面能量热交换系统，水源热泵机组和室内供热空调终端系统. 水源热泵机主要有两种类型: 水-水型或水-空气型. 这三个系统依靠水或空气的热交换介质进行热传递. 水源热泵与地面能之间的热交换介质是水，建筑物供暖和空调结束时的热交换介质可以是水或空气.

与空气源热泵相比，地源热泵具有许多优点: （1）年温度波动小. 冬天的温度比空气的温度高，夏天的温度比空气的温度低. 因此，地源热泵的加热和冷却系数高于空气源热泵的加热和冷却系数，通常可以高于40％. 因此，节能和成本节省约为40％. （2）冬季运行不需要除霜，可减少霜冻和除霜损失. （3）地源储能效果更好.

地源分类

根据不同的室外热交换方法，地源可分为三类:

1. 土壤埋盘管系统，2.地下水系统，3.地表水系统.

根据循环水是否为封闭系统，可以将地源分为闭环系统和开环系统.

闭环系统

例如，埋盘管法（垂直埋管或水平埋管），地表水放置热交换器法.

地下水或地表水提取等开环系统.

此外，还有一种“直接膨胀型”，它不像上述系统那样使用中间介质水进行热传递，而是直接埋入地下的热泵的热交换器（蒸发器）进行热交换.

五种地源热泵的应用方法

从所应用的建筑对象来看，地源热泵的应用方法可分为住宅和商业两类，从冷热传递方法可分为集中式系统，分散式系统和混合系统.

家庭系统

用户使用自己的热泵，地源以及水路或风管输送系统进行冷热供应，这些系统主要用于小型住宅和别墅等家用空调.

集中式系统

热泵设置在机房中，冷热集中并通过风道或水路分配系统传递到每个房间.

去中心化系统

使用中央水泵，通过水循环将水作为冷热源送给每个用户. 用户使用自己的热泵装置调节空气. 它通常用于办公楼，学校，商业建筑等. 该系统可以充分反映用户所消耗的冷热热量，从而方便测量，并适合当前独立的热量测量要求.

混合动力系统

地面源和冷却塔或供暖锅炉用作冷热源系统. 混合系统与分散系统非常相似，除了冷却和热源系统增加了冷却塔或锅炉.

南部地区冷却负荷大，热负荷低. 夏季适用于地源与冷却塔的联合使用，冬季适用于地源. 在北部地区，热负荷大而制冷负荷低. 冬季使用地源和锅炉是合适的，夏季只使用地源. 这样可以减少地源的容量和大小并节省投资.

分散系统或混合系统本质上是水回路热泵空调系统的一种形式.

水环热泵空调系统

水循环热泵（水循环热泵，简称WLHP）空调系统，由许多水源热泵空调（WSHP）组成. 这些单元通过封闭的循环水管道连接，该管道不仅用作空调的冷源，而且还用作加热下的热泵的热源. 水循环的冷热源可以是地面源，也可以是锅炉和冷却塔的组合.

夏季运行: 全部或大部分机组用于冷却，而热水回路则排放到室外冷源，例如地源或冷却塔.

春季/秋季操作: 对于具有内部区域和周围区域的建筑物，似乎需要对内部区域进行冷却并且需要对周围区域进行加热，并且内部区域中的热量可以由设备使用. 周围区域当周围区域的散热和热泵所需的热量接近平衡时，可以关闭室外的冷源和热源. 这种制冷和供热是同时进行的，能量在建筑物内进行传递，运行成本最小，节能效果明显. （地源热泵服务联盟）

冬季运行: 所有或大多数单元都提供热量，而热源（地源或热源）将热量补充到水环路中. 除了显着的节能功能外，水回路热泵空调系统还具有以下功能:

1节省空间: 没有大型冷冻室，也没有冷却塔系统.

2能源成本的单独计量: 每个部门，家庭或单位独立承担责任. 能源成本的计量简单，公平，与目前独立的能源成本计量方法相符.

3灵活的调节方式: 每个热泵空调可以随时选择制冷或制热.

4灵活的应用程序: 它可以灵活，完全满足建筑物各个区域的需求，并且可以随时更改.

六，技术经济

地源热泵不仅可以提供暖气和空调，还可以保护环境和节能，但地源热泵是否具有经济竞争力仍然是一个非常关键的问题. 由于涉及许多因素地源热泵空调技术详细介绍，不同的地区，不同的能源结构和价格将直接影响地源热泵的经济性. 这里仅通过将地源热泵与传统的供暖和空调方法进行比较，来讨论经济学.

可以将GSHP供暖的经济性与传统的燃煤，燃油和天然气锅炉进行比较. GSHP空调可与单冷空调以及采暖和空调的整体经济性进行比较. 评估的主要指标是: 初始投资，成本以及流量表的相关经济参数的评估.

经济参数

1初始投资: 是指供暖和空调系统各部分的投资总和，包括: 土建工程费用，设备购置费用，安装费用和其他费用（包括设计费用，监督费用和不可预见的费用） ）.

两年总成本: 是指系统各个部分（例如水，电，燃料）的运营成本；排污费；管理人员工资，管理费；设备折旧费和设备维护，大修费用等.

三年运营成本: 是指设备折旧成本在年度总成本中的扣除额.

4每单位面积的运营成本: 通过将年度运营成本除以供暖或空调的面积来计算.

5每单位热量（制冷）的运营成本: 通过将年度运营成本除以供暖的累计热负荷或空调的累计制冷负荷来计算.

6流量表: 流量表方法用于计算投资项目的相关经济指标，例如财务内部收益率，财务净现值（NPV）和投资回收期（Pt）.

对于投资项目，如果财务内部收益率大于基准收益率，则财务净现值NPV> 0，表示该项目的盈利能力满足行业的最低要求，并且项目在财务上是可以接受的；例如NPV

投资回收期的评估方法: 如果项目的总投资回收期少于行业基准投资回收期，则表明该项目投资可以按时回收. 投资回收期越短，经济越好.

计算条件

1选择天津居住建筑作为计算对象，采暖指数为50w / m2，制冷指数为80w / m2.

2地面加热泵的冬天的加热系数为4.00，夏天的冷却系数为4.50，单冷空调的冷却系数为3.20.

3经济参数包括: 地下水资源费（0.04元/吨），电价（0.5元/度），各种燃料的热值和价格（见右表），软化水费，排污费，人工费的工资，利率，设备寿命等

4采暖和空调收费标准，中国北方有采暖收费标准，例如天津为18.5元/ m2，但没有空调收费标准. 将来，以热量（冷）为收费单位，将供暖和空调更改为“计量收费”. 例如，南部某地的收费标准为0.28元/度.

分析和比较

1初始投资的比较. 初始投资包括从冷热源到管网再到室内终端的所有投资项目. 如图1所示，热泵的初始投资高于锅炉，但从总初始投资的角度来看，由于可以使用地源热泵进行加热和冷却，因此可以使用一台机器出于两个目的，该投资可全年使用，从而节省了冬季采暖的投资，因此地源热泵的初始投资低于锅炉加空调系统的总投资.

2供热成本比较. 参见图2. 燃煤锅炉的供暖成本最低，其次是地源热泵，天然气锅炉和燃油锅炉. 以地源热泵为基准，比较了各种方案的供热成本. 燃煤锅炉比地源热泵低约30％，天然气锅炉高约40％，石油锅炉高约70％.

3空调费用比较. 地源热泵的运行成本要低于单冷空调的运行成本，后者要低约30％.

4从净现值的角度来看，当计费标准为0.28元/kw.h（图3）时，每种供暖和空调方案的净现值均小于0，仅当供暖面积大时. 燃煤锅炉的排量大于一定值. 如果大于0，则意味着按照0.28元/kw.h的收费标准，只有燃煤锅炉具有一定的经济效益. 如果提高收费标准，例如0.4元/kw.h，则重新计算每个方案的净现值（图4），收益率（图5）和投资回收期（图6），锅炉和地源热泵供暖的净现值大于0，内部收益率大于基准收益率8％，投资回收期小于10年. 目前，燃煤锅炉和地源热泵供暖在经济上是可行的. 相比之下，由于单冷式空调的经济性明显低于地源热泵空调，因此燃煤锅炉采暖加单冷式空调解决方案的经济性低于地热式空调. 源热泵供暖和空调. ，暖气和空调的经济优势. （地源热泵服务联盟）

将地源热泵方案与燃煤，燃油和燃气锅炉以及单冷空调方案的综合经济学（平均净现值，回报率，投资回收期）进行比较，地源热泵是最佳方案. 其次，采用燃煤，天然气和石油锅炉，再加上单冷空调系统.

以上是“单位热量（冷）装料标准”的计算结果. 对于操作员而言，提供的热量（冷）越多，费用就越高，供暖和空调的成本就越高. 低，因此它的经济效益会更高，这与电力供应相似. 发电厂提供的电力越多，收益就越高. 因此，不同的建筑物和不同的采暖量（制冷量）将为运营商带来不同的经济利益. 本文的计算结果无法复制. 应该针对特定的建筑类型，用途，当地气象数据，各种当地能源价格以及供暖和空调费用进行可行性研究，以确定哪种供暖和空调方法是最经济的解决方案.

对于传统的“单位面积收费标准”，由于确定了建筑面积的供应，因此向用户收取的暖气和空调费用是固定的，因此对于操作员来说，提供的热量（冷）越少，效益. 这与“计量充电”的效果相反，但是“计量充电”的使用对用户和节能都有好处.

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