地源熱泵技術在暖通空調節能中的運用分析

張春雨

山東省東營市供熱管理處，山東東營 257091

地源熱泵技術利用土壤或地下水的蓄熱性能形成熱泵系統，在夏天需要制冷的情況下，將埋地換熱器作為冷凝器向地下蓄熱；在冬天需要制熱的情況下，將埋地換熱器轉作蒸發器從地下獲取熱量。充分利用土壤和地下水的低位地熱資源，又將夏天的熱量轉存至地下，以便在冬季進行利用，在實現節能環保目標的同時，獲取了可觀的經濟效益，因此，必須重視地源熱泵技術在暖通空調系統中的應用。

1 地源熱泵技術概述

1.1 工作原理

在應用地源熱泵技術的暖通空調系統中，將空調系統的熱交換器放置于地下，介質在強度高、密封性好的環路中持續流動，從而實現系統與土壤間的熱量交換。夏季，地源熱泵機組將從建筑中吸收的熱能轉移到地下，實現建筑降溫；冬季，地源熱泵將土壤中的熱量轉移到建筑當中，提高建筑環境溫度的同時將其內部冷量轉移到土壤當中。由于自然環境中的熱量一般都是從高溫向低溫轉移，而通過使用熱泵能夠將熱量從低溫輸送到高溫，本質上就是一類熱量提升裝置。通過對環境中已有的熱量進行充分利用，提升溫位后擴大其利用率，加之地源熱泵系統自身的能耗有限，同時可以利用外部電能來補充壓縮機所消耗的功，促進系統中的循環介質能夠從低溫持續吸收熱量，然后向高溫區域進行供熱，確保系統能夠持續循環而不間斷。地源熱泵與制冷系統的原理、設備幾乎相同，但相較于傳統壓縮制冷，地源熱泵制冷不需要龐大的冷凝設備[1]。

1.2 地源熱泵技術的優點

1.2.1 靈活安全

暖通空調系統中使用地源熱泵技術，能夠充分替換傳統的供熱鍋爐、熱水供應、制冷空調等裝置和系統。相關機組可以靈活安裝在任何區域，節約使用空間的同時，地源熱泵不需要進行能源儲備，減少了很多安全隱患問題。因此，地源熱泵技術適用于嚴寒和熱帶地區的各類暖通空調系統。

1.2.2 成本較低

應用地源熱泵技術的暖通空調系統，其運行成本低、高效節能、維修量少、使用壽命長，整個系統的折舊費、維修費等都遠低于傳統空調系統。同時可以實現較高的自動化，不需要專業人員進行操作。并且整體的供暖制冷費用只相當于普通，系統的30%～70%之間[2]。

1.2.3 高效環保

地源熱泵利用地表淺層地熱資源進行能量轉換，不受地域、資源等限制，量大面廣、無處不在，而應用地源熱泵技術的暖通空調系統始終處于高效率點位。相較于傳統的電鍋爐加熱和燃料鍋爐，可節省大量的能源，運行費用也較低。加之地源熱泵空調系統，冬季供暖期間不需要使用鍋爐，不會產生燃燒排放物，能夠有效減少溫室氣體的產生，在保護環境的同時可以實現溫度的調整。

1.2.4 管理便利

地源熱泵系統不需要冷卻塔等其他室外設備，可以減少鍋爐冷卻系統附屬的能源堆放區域，能夠有效節約空間，改善外部環境，提升系統的經濟附加值。由于熱泵機組系統穩定性好，不需要各類大型集中性基礎，更不需要專人持續進行現場值守，有效減少維護工作量、節約成本，能夠實現機組獨立計費，為使用單位提供良好的管理基礎。

1.3 地源熱泵的分類

1.3.1 土壤源熱泵

這種熱泵系統主要是利用地下巖層中的熱量進行閉路循環，形成的系統體系。將熱泵的換熱器置于地下，與大地進行熱量交換，通過循環液，在密閉的地下埋管中流動，從而實現系統與大地之間的熱傳導。冬季系統從地下收集熱量，將其帶入室內，夏季，系統逆向運行，從室內帶走熱量，將其轉入地下巖層[3]。

1.3.2 地下水源熱泵

地下水源熱泵系統能是從水井或礦井中抽取地下水，常用的系統是采用一側連接地下水，另一側連接熱泵機組的方式形成。早期的單層系統的缺點是既浪費水資源，又會造成地層塌陷，容易引發地質災害。當前使用雙井系統，一個抽水，一個回灌，系統整體造價相較于土壤源熱泵較低，占地面積較小，技術較為成熟，但是可供使用的地下水總量有限，水處理要求較為嚴格，抽取的地下水回灌，不能受到污染。

1.3.3 地表水源熱泵

地表水源熱泵系統將池塘、湖泊、河流中的地表水作為熱源。一般分為閉路和開路兩種系統，在寒冷區域開路系統不適用，只能采用閉路系統。地表水源熱泵系統造價低廉、能耗低、維修便利、運行費用低，但容易受到外部環境的影響。在公用的水系統當中，設備容易受到損害，還存在效率不穩定的情況。

2 地源熱泵技術在暖通空調系統節能中的具體應用

2.1 針對地源熱泵系統形式的選擇

地源熱泵系統中一般不采用閉式環路形式，主要是由于該種形式的地源熱泵系統雖然免除了冷卻塔的功耗，但是系統中的冷卻介質、土壤、水體三者之間存在傳熱溫差，而且機組冷卻水溫雖然低于冷卻塔出水溫度，整體的能效高于使用冷卻塔的冷水機組，但是系統中的地下、水中埋管投資較大，空調年運行周期較短，投資回收周期較長。對于地源側的水通過熱交換器從土壤中進行熱量吸收較為容易，反之向土壤中放熱難度較高，存在暖通空調系統運營期間由于機組的高壓保護起作用而自動停機的情況。這種情況下可以選擇高能效比的常規冷水機組，通過系統中的冷卻塔向外部進行熱量排放。而在這種情況下，閉式環路的地源熱泵系統更適用于有冷、熱負荷需求的系統類型，對于開式環路形式的地源熱泵系統能夠更好的適應于單冷或冷暖空調系統[4]。

2.2 可以通過外部措施提升系統換熱能力

若暖通空調系統缺少足夠的空間容納地下換熱器，為了更好地滿足室內冬季熱負荷需求，需要設置輔助熱源提升暖通空調系統的能力，在夏季需要使用冷卻塔，增加了暖通空調系統的復雜性，而且針對此類狀況，需要考慮系統整體的經濟性、技術性等條件來保證地源熱泵系統選擇合理。若地下換熱器的效能可以滿足冬季室內熱負荷但不能滿足夏季室內冷負荷需求，只需要在系統中增加冷卻塔；若系統中的冷、熱負荷相差較大，可以使用地下埋管加冷卻塔的方式進行處理，滿足系統需求的同時還能降低工程造價。在這種方式當中不需要鍋爐，整個系統的操作較為便利，工程造價會顯著降低。

2.3 高層建筑體系需要綜合考慮多方條件

高層建筑的暖通空調系統中運用地源熱泵技術時，需要考慮建筑內部空調系統的控制，是否屬于分層分區控制。若地源側垂直埋管時就需要考慮埋管耐壓，其垂直埋深要進行合理控制；同時要注意建筑高度，避免由于建筑高度造成的系統靜壓超出系統管線的額定壓力。綜合多種因素進行考慮，與地下水靜壓抵壓作用后，系統中的垂直埋管能夠適應更高的建筑。對于高度較大的建筑，可以通過在地源側使用板式換熱器的方式進行高低壓分區，類似于中央空調在高層建筑中對冷媒水系統的高低壓分區，或者在一定區域當中不進行分區管控，通過在低層設置的水地源熱泵機組，由系統末端設備向高層區域集中提供冷（熱）媒介質。

2.4 確保空調機組與地源熱泵系統類型能夠相互適應

部分空調機組只適用于水環熱泵空調系統，另外部分空調機組只適用于開環式地源熱泵空調系統。當前市場中的各類機組名稱不統一，容易出現概念混亂的情況。相關施工單位或建設方在進行設備機組選擇的時候，要充分了解自身的節能需求和設備要求，綜合現場安裝環境選擇空調機組，確保其與地源熱泵系統類型能夠相互適應[5]。

2.5 空調機組能效和性能需要重點關注

建設單位、設計單位進行機組選擇的時候，要針對所選擇的產品的能效比、性能等參數進行比較、評價，針對同一廠家、同一系列、不同規格的空調機組，在工況不同的情況下，其能效比和性能系數都會存在較大差異，并且廠家標注的能效比和性能系數，可能是在不同工況下測定而來的，造成空調機組實際運營的情況下能效比和性能系數會相對給出的參數出現較大波動或變化。

3 結語

運用地源熱泵技術的暖通空調系統，能夠更好地滿足人們的節能需求和功能穩定性要求。而隨著人們環保意識和節能意識的不斷加強，在各個領域尋找清潔可再生能源，正成為整個社會的研究熱點。地源熱泵技術作為新型的可再生能源，具有良好的清潔性、環保性，整體的節能減排效果較為顯著。因此應用地源熱泵技術的暖通空調系統，其發展前景較為廣闊。

[1] 張成方.暖通空調設計標準中地源熱泵的應用分析[J].中國標準化，2017（22）：140-141.

[2] 王術靜.地源熱泵技術在暖通空調中的應用[J].住宅與房地產，2017（32）：206.

[3] 何勝林.地源熱泵技術在暖通空調節能中應用探討[J].科技經濟導刊，2017（16）：101.

[4] 王海.地源熱泵技術在礦用集中式暖通空調節能中的應用[J].世界有色金屬，2016（19）：161，163.

[5] 謝林麗.芻議地源熱泵在暖通空調設計中的應用[J].江西建材，2015（5）：16.