空气源、水源及土壤源热泵系统对比分析

热泵技术是一种高效节能的新能源技术，传统意义上的“泵”是一种提高位能的机械设备，例如水泵是将水从低位抽到高位。“热泵”是指从自然界中的空气、水或土壤中获取低位热能，通过电能做功，提供高位热能的装置即将低位热源的热能转移到高位热源的装置。按照低位热源种类的不同，将热泵分为空气源热泵、水源热泵及土壤源热泵，其中水源热泵与土壤源热泵统称为地源热泵。三种不同热源的热泵系统具有各自的运行特点、适用场所，在暖通设计中应根据项目的实际情况选择不同的系统形式，从而使经济效益、节能性能达到最高。

1　热泵系统原理及热源分析

热泵系统工作原理如图1所示，夏季通过消耗电能从用户吸收热量，向热源排放热量，冬季从热源吸收热量向用户侧放出热量，热泵机组通过四通阀的切换实现夏季供冷与冬季供热模式的切换。

图1　热泵系统工作原理示意图

以热源形式不同，空气源热泵热源为空气，水源热泵热源为地下水、地表水、污水等，土壤源热泵热源为土壤。其中水源热泵系统又分为开式系统与闭式系统，本文所描述水源热泵系统为闭式系统。同一地理位置，假定用户侧温度相同，由于夏季土壤温度＜水温＜空气温度，则理论制冷系数土壤源＞水源＞空气源；冬季土壤温度＞水源＞空气，理论制热系数土壤＞水源＞空气源。理论上利用土壤作为热源的效率最高，水源其次，空气源最低，但实际应用中由于热源测得换热条件、投资费用以及地质条件的不同，三者的实际运行节能效果不能做简单比较。

2　土壤源热泵与水源热泵实测对比分析

2.1　项目简介

某项目土壤源地源热泵系统，所配机组额定制冷量950kW，额定制冷额定输入功率103kW，地源侧水泵额定功率25kW，用户侧水泵额定功率30kW，对其夏季运行性能进行实测。

同一地区另一项目水源地源热泵系统，所配机组额定制冷量2251kW，额定制冷额定输入功率407.4kW，地源侧水泵额定功率22kW，用户侧水泵额定功率55kW，对其夏季运行性能进行实测。

分别对冷热源系统的进出口温度和载冷剂流量进行测试，根据进出口温差和流量计算出系统的冷量，温度及流量的测点布置如图2所示。

图2　测量布置示意图

本次测试的参数为机组用户侧流量、机组地源侧进出口水温、机组用户侧进出口水温、机组输入功率、水泵输入功率，在机组运行工况稳定后进行，测试周期4个小时，采样间隔10分钟。测试所用仪器见表1。

表1　测试仪器

2.2　地源热泵机组性能测试理论

地源热泵的COP是评估冷机运行状况好坏的一个重要的标准。地源热泵夏季制冷的COP用机组的制冷量除以机组的耗电量来表示。

在具体的测试中，制冷量Q用冷冻水侧的冷量来表示：

2.3　测试数据分析

水源热泵与土壤源热泵机组地源侧进出口水温变化如图3所示，土壤源热泵系统地源侧进出口水温低于水源热泵系统，且温差略高于水源热泵。两者地源侧水温在测试期间均没有明显上升变化，说明系统的地源侧的换热能够满足此时工况下的散热要求，机组能够稳定运行。

图3　机组地源侧进出口水温

水源热泵与土壤源热泵机组用户侧进出口水温变化如图4所示，土壤源热泵用户侧进出口水温均低于水源热泵系统，水源热泵系统用户侧温差4.1℃，土壤源热泵系统用户侧温差3.9℃，水源热泵用户侧水温波动较大是由与末端负荷变化所导致。

图4　机组用户侧进出口水温

水源热泵机组与土壤源热泵机组夏季典型天气情况下机组白天运行4小时实测机组性能参数见表2。水源热泵水泵实测功率占总功率17.0%，土壤源热泵水泵实测功率占总功率31.5%，所以土壤源热泵COP值明显大于水源热泵，而EER值却相差不多。由于土壤源热泵地源侧水泵所需扬程大，所配水泵功率高，本文中水源热泵地源侧水泵名义功率占名义总功率的4.5%，而土壤源热泵地源侧水泵名义功率占名义总功率的15.8%，可以看出虽然土壤源热泵的COP值高，但是最终耗能较水源热泵并无明显优势。

表2　机组运行测试参数如下

某厂家模块式风冷热泵机组名义制冷量130kW，名义制冷功率42kW，用户侧水泵功率10kW，将其与上述两种热泵实测结果进行对比，对比结果见表3。空气源热泵COP显低于前两者，说明地源热泵系统节能效果明显，而土壤源热泵在三种不同热源的热泵系统中的节能效果最好，分析结果与理论制冷系数土壤源＞水源＞空气源相符合。土壤源热泵能效比略高于水源热泵，空气源热泵能效比较低，可以看出相对于空气源热泵，前两者能够明显节约总耗电量。

表3　不同热源形式的热泵系统性能参数

3　三种热泵系统的特点

（1）空气源热泵是目前应用较为广泛且技术应用成熟的热泵系统。与其他的热泵相比，空气源热泵获取能源方式更加便捷。空气源热泵具有普遍的适用性，与土壤源和水源热泵相比，具有不受地理位置及所需资源限制、不会对土壤和水域造成影响的优势。空气源热泵主机一般放置在建筑物顶层屋面不需要设置专门的空调机房放置机组，后期运行简单方便不需要专门的操作管理人员。一般的空气源热泵机组本身就带有热源换热系统，不需要重新单独设置热源的换热系统，从而相对于水源、土壤源热泵系统具有初投资低且设备的后期运行维护保养的成本低的优势。

由于空气温度随昼夜、季节波动变化大，导致热泵机组无法稳定运行，夏季外界环境空气温度较高时，会出现冷凝器的排热不理想，从而导致制冷系数低、能耗高，在特殊情况下，制冷机组甚至都无法起动。制热工况下，若空气环境温度比较低的情况下，蒸发器散热不理想，会出现结霜的现象，机组需要进行除霜模式运行。制冷工况运行，由于将热量直接排放到大气环境中，对热岛效应形成具有促进作用。设备在室外导致噪声污染大，相对于地源热泵性能系数低、能耗较大，冬季供热须辅助加热等劣势。

（2）水源热泵系统从地表或者地下水中获取热量，同时，水体通过太阳能辐射直接或间接地得到补充，这相当于间接地利用近乎无限的太阳能，水源热泵技术是一种可再生的能源利用技术。水源热泵系统利用水体夏季水温低于环境空气温度，冬季水温高于环境空气温度，从而提高能效比；水源热泵系统供热时与锅炉房系统相比，减少了对环境的污染；供冷时与冷水机组相比没有冷却塔，减少了直接向大气中排放的热量以及冷却塔的噪音污染，是一种节能环保技术。

水源热泵对建筑的地理位置有要求，建筑附近有水域，且水域特性符合水源热泵系统的使用要求，必须实地考察当地水源的情况。在设计使用水源热泵的前，必须对工程附近的水文地质条件进行勘察，掌握水源的性质、水量及其分布、水温及其分布、水质及其动态变化情况等，大量的前期勘察工作必然会使得出投资增加；水源侧由于地表水的杂质多，腐蚀性等特点，换热器使用寿命有限，维护成本高。

（3）土壤源热泵利用地表浅层地热能作为冷热源，地表浅层地热能通过太阳能辐射得到补充，是一种取之不尽的清洁、可再生能源。土壤的温度受环境温度的影响小，温度波动小，全年相对保持稳定，从而保证系统的稳定运行，具有能效比高，从而达到节能效果。与传统的空调系统相比，土壤源热泵具有明显的节能减排效果，同时还具有噪音污染小，对建筑物周围环境影响小等优势。

土壤源热泵对建筑的地理环境及土壤的热物理性质有特殊要求，使用土壤源热泵系统前需要先进行土壤热物理性质测试，需要土壤源系统的使用要求，建筑物周围需有空地预埋换热管。和水源热泵相同土壤源热泵同样需要进行大量的前期勘察工作。土壤侧换热系统与水源热泵相同会存在腐蚀破坏现行，影响使用寿命，维护成本高。

4　三种热泵系统的适用性分析

（1）空气源热泵因为系统相对简单，不需独立机房的特点，对于一些既有建筑物空调系统加装、系统改造等具有明显优势。对于小型项目总投资不高，此时若采用水源或者土壤源热泵，热泵系统投资比例过高，而空气源热泵的初投资相对较低，适用性经济效益更高。空气源热泵还适用于一些使用时间不固定、使用负荷不稳定的场所。

（2）水源热泵适用于周围具有丰富的水资源、规模大且空调系统总负荷高的建筑，比如湖泊河流附近的医院、宾馆、大型办公楼等。此类建筑具有空调适用时间固定、负荷稳定的特点。

（3）根据土壤源热泵特点可以看出，土壤源热泵适合剧场、宾馆、大型办公楼等，建筑周围有大量绿化空地适合预埋土壤侧换热设施且建筑物空调系统使用时间固定、使用负荷稳定的场所。此类建筑一般初投资较高，热泵系统的投资比例相对低，能够充分利用资源。同时土壤源热泵还具有不受外管网的影响的特点，可以独立控制供热、制冷时间，能够全年满足温度湿度要求，适合像医院有着特殊要求的大型建筑物。

5　结语

热泵空调系统相对于传统的分体式空调，具有明显的节能优势。其中，土壤源热泵与水源热泵的节能性能比空气源热泵要高，土壤源热泵与水源热泵在实际应用过程中的能效比接近，应根据实际工程的需要选择合适的空调系统。

三种不同热源的热泵系统，各自具有不同的特点及适用场所，应结合工程实际需要、地理位置、水文及地质环境选用合适的系统，同时也不能因盲目追求节能而忽略与工程实际的契合度，造成资源浪费经济效益低的现象。

参考文献

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（作者供职于江苏省建筑工程质量检测中心有限公司）