地源熱泵技術在暖通空調節能中的應用

朱蔚然

摘要：文章研究了地源熱泵技術在暖通空調節能中的應用，對地源熱泵技術的發展概況進行了分析，并對地源熱泵-輔助冷卻塔暖通空調系統的設計建設方案進行了討論，認為地源熱泵技術應用于暖通空調系統，能夠大幅度減少暖通空調系統能耗，全面提高暖通空調系統的節能性能。

關鍵詞：地源熱泵技術；暖通空調；空調節能；空調系統；高層建筑；機電設備 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU83 文章編號：1009-2374（2016）14-0081-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.041

人們的生活水平不斷提高，對建筑環境的要求也越來越高。暖通空調作為高層建筑必不可少的機電設備，在給人們營造了舒適的居住環境的同時，也造成了很大的能源浪費，于是人們開始研究使用其他清潔能源代替電力維持暖通系統運轉。地源熱泵技術就是這樣一種新型的暖通空調技術，在節約能源、減少環境污染、控制碳排放方面有著廣闊的發展空間。

1 地源熱泵

1.1 地源

地源（groud source）有著十分豐富的漢語內涵，包括了所有地下資源。但是現階段，在暖通空調行業中，地源主要是指地殼以下400m以內范圍的低溫熱資源，大部分熱量來自太陽，少部分來自地熱。地表水體、土體均是大規模的太陽能集熱器，太陽輻射能量的47%都被地表吸收，該能量規模遠遠超過人類活動能耗，是接近無限的清潔可再生能源。地源熱泵技術的基本思路就是通過少量高品位能源，將淺層熱能轉移為高位熱能，在冬天供暖、夏天制冷。

1.2 地源熱泵技術的發展

20世紀中葉，能源與環境問題逐漸為人們所關注，關于地源熱泵的研究就已經開始，在20世紀70年代之后，石油危機促進了地源熱泵技術的發展，美國截至1985年，就已經發展出1萬臺左右的地源熱泵，1998年則增加到5萬套地源熱泵系統，在空調總保有量中，地源熱泵占據了19%的份額。歐洲發達國家如瑞士、奧地利、德國均使用地埋管地源熱泵為室內地板供暖，并提供生活熱水，瑞士地源熱泵的使用比例高達96%。近些年，能源危機加劇，掀起了世界范圍內的地源熱泵研究熱潮，地源熱泵裝機量空前增加。

我國從20世紀80年代開始關注地源熱泵，一些高等院校開始了關于地熱供暖的理論與實驗研究，建立了一系列試驗臺，在螺旋盤管地源熱泵供暖與過渡季制冷方面取得了一定的研究成果。1989年，青島建筑工程學院和瑞典皇家工學院建立了第一個關于水平埋管的地埋管地源熱泵實驗室，至2000年，重慶大學的50mU型管地下換熱器經過冬夏運行性能測試，認為該地源熱泵已經具有工業級應用價值。

1.3 混合式地埋管地源熱泵

隨著關于地源熱泵研究的逐漸深入，研究人員逐漸發現，土壤熱平衡問題成為了地埋管地源熱泵性能主要的影響因素。不同地區有著不同的光照條件和氣候條件，如果不能有效解決土壤熱平衡問題，將導致地埋管地源熱泵運行效率低下，甚至反而導致耗能增加。例如我國北方地區，如果采用冬夏兼用地埋管地源熱泵，北方天氣寒冷，冬季長期低溫，那么就會出現冬季提取地層熱量超過夏季地層吸收熱量的情況，而南方卻與之相反，在地源熱泵的長期運轉過程中，土壤平均溫度會發生變化，導致地源熱泵的熱交換效率持續下降，甚至完全癱瘓。因此研究人員開始研究如何因地制宜地在應用地源熱量的同時保持土壤熱平衡，其中混合式地埋管地源熱泵技術在維持土壤熱平衡方面表現較好?；旌系芈窆艿卦礋岜猛ㄟ^地源熱泵和其他加熱與散熱技術的聯用，消除過分依賴地源熱泵對土壤溫度的影響。與此同時，混合型地源熱泵在冬夏分明地區可根據冷熱負荷實際情況，考慮輔助設備負荷，適當減小預埋管長度，進一步減小對土壤溫度的影響，轉變了單一地埋管地源熱泵依靠冷負荷設計的基本原則，降低了地埋管地源熱泵的建設成本。

2 暖通空調中地源熱泵的應用

2.1 地源熱泵暖通空調主要形式

根據熱量來源不同，地源熱泵暖通系統可分為土壤源、地下水源、地表水源三類。埋管式土壤源熱泵系將使用水作為工作介質，在土壤內部換熱管道與熱泵機組之間循環流動，完成機組與土壤之間的熱交換，根據埋管形式不同，可分為水平和垂直兩類，這也是應用最為廣泛的地源熱泵形式，無需抽取地下水。地下水源熱泵以地下水作為熱量來源，抽出地下水之后將水送到換熱器和熱泵機組，提取或者釋放熱量之后再送回地下，該方案的使用需要征得地方政府的許可，同時地下要具有充足的水量，回灌工作是該方案的重點。地表水源熱泵使用地表水作為冷熱源，抽取江河湖海水，形成開式循環或者閉式循環。開式循環直接抽取地表水進行熱交換，閉式循環則使用水盤管熱交換器和地表水進行熱交換。根據地源側水應用方式不同，地源熱泵還可以劃分為閉環與開環兩類，其中閉環換熱器內的工作介質不和外部水或者土壤相連通，工作介質在封閉的循環系統內與外部環境完成熱交換，在熱泵機組和地下埋管之間循環。開環系統則直接抽取外部水作為工作介質，一般都應用板式換熱器完成和外部水之間的熱量交換，保護內部熱交換器。

2.2 空調方案

2.2.1 地埋管換熱器。為了提高暖通空調方案的經濟性，提高能源利用率，建筑中除了有特殊要求的消防、電梯機房等房間之外，其余房間均采用集中空調方案。地埋管熱泵空調末端設計和常規暖通空調一致，換熱器是地埋管地源熱泵設計的核心內容，要根據建筑規模確定合適的地埋管鉆井數量與長度，并對鉆井分布進行合理規劃。在施工區域內進行換熱性能測試，并進行鉆孔換熱量計算，從而了解鉆井單位井深的換熱能力，選用雙U型換熱器，根據總供熱需求計算鉆井個數：

（1）

式中：

N——鉆孔數

Q——地埋管熱負荷（kW）

q——現場換熱性能測試單位鉆孔深度換熱量（W/m）

H——鉆孔深度

根據經驗與計算結果，進一步確定井深、有效埋深、間距、井直徑等相關參數，布置鉆井要充分利用建筑周邊綠化帶，采用梅花狀布置方案，連接制冷機房，將地源側集水器與分水器均布置在制冷機房內，所有鉆井支路均采用同程設計，確保所有支路水壓平衡，支路總管穿墻進入機房分別連接集水器與分水器。

2.2.2 熱回收衛生水系統。國內關于空調系統熱回收技術的研究已經初見成效，通過熱回收機組，將冷卻水中的熱量集中起來，用以生活、生產熱水預熱/加熱，能夠在降低空調熱污染的同時充分利用廢熱。

回收熱進行低溫用水預熱熱交換效率更高，即便應用于高溫水加熱，其總功耗仍然遠遠小于鍋爐加熱。在地源熱泵暖通空調系統中應用熱回收技術，回收熱不僅可以用于冷水預熱，還可以應用在地熱補償中，將廢熱引入地下，從而能夠彌補地熱損失，緩解地熱不平衡問題，減小散熱設備的設計容量。

2.3 冷卻塔運行策略

冷卻塔是緩解地熱不平衡的重要輔助冷源，系統余熱引入能夠在一定程度上彌補地熱損失，但是作用有限，引入冷卻塔則基本能夠達到地熱平衡。冷卻塔的啟停運行策略，成為解決地熱不平衡問題的關鍵。

2.3.1 設備選型。冷卻塔要能夠彌補所有系統釋放熱量與制造熱量之間的差，同時還要避免選型過大造成的浪費。

1995年，ASHRAE給出了一種輔助散熱設備冷卻塔容量計算方法：

（2）

式中：

QRej——輔助散熱冷卻塔設計放熱量（kW）

——設計中供冷月的總散熱量（kWh）

QLoop.Rej——設計散熱總量（kWh）

Hours——供冷月小時數（h）

該算法中，干式閉環路液體冷卻設備室外設計條件選擇供冷月平均干球溫度，閉式閉環冷卻塔室外設計條件為濕球溫度，由于存在50%供冷月時間室外條件不太惡劣的假設，因此該設計有一定容量余量。

2012年，Kavanaugh專門針對并聯混合地埋管地源熱泵系統對該選型算法進行了優化改進，設計計算在考慮散熱塔總容量的同時，兼顧土壤熱量得失平衡。該算法首先計算輻射散熱塔水流量，之后修正有輔助散熱塔狀態下滿負荷冷卻時，最終獲得輔助散熱設備工作時間與容量，容量計算過程與式（2）類似。

2.3.2 啟停策略。冷卻塔-地源熱泵系統在不同的工況下，冷卻塔的啟停策略有所不同。

方案A：以地埋管地源熱泵換熱為主時，經埋管進入冷凝器水水溫超過某一設定溫度，表示地源熱泵散熱負荷滿載，啟動輔助冷卻塔。

方案B：經過埋管進入冷凝器水文與室外濕球溫度差值達到一定溫度，啟動輔助冷卻塔。

方案C：每年固定幾個月每天上班時段開啟冷卻塔。

根據三種輔助冷卻塔運行策略的20年運行維護資料比較分析，認為方案B優于方案A、方案A優于方案C。

近些年，國內關于地源熱泵暖通空調的研究中提出了一種新的控制策略，該啟停方案根據建筑全面冷負荷逐漸增大再逐漸減小的規律，制定相應的啟?？刂撇呗浴Ｖ评涑跗谂c后期，冷卻塔運行效率很高，單獨運行縮短地源熱泵工作時間，制冷高峰期，冷卻塔與地源熱泵同時工作。這樣的啟停策略能夠減少對土壤熱平衡的影響，使土壤盡快恢復溫度，同時保證了散熱質量。

3 結語

地源熱泵技術是一種低位可再生能源技術，相比于電力，使用地源熱泵作為建筑暖通空調能量來源，有著清潔、節能的優勢，是一種綠色的暖通空調方案，在保護環境和節能減排方面都能夠發揮重要作用。

參考文獻

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（責任編輯：王 波）