某區域建筑地源熱泵設計及經濟性分析

李金花

摘要：地源熱泵作為新世紀的一項新能源技術，其主要機理是運用地下水的低溫和儲能作為供熱和降溫的新型熱泵循環體系。作為一項新的設計思路，國內在推廣和使用方面還處于初始階段。本文根據某區域建筑地源熱泵設計和其運轉周期內費用的消耗進行了綜合分析，希望能夠為類似區域的地源熱泵節能設計提供指導和參考。

引言

隨著21世紀以來世界范圍內能源危機的不斷加劇，越來越多的國家開始投向新能源開發領域，特別是對于建筑耗能方面的新能源開發的課題研究，與此同時，地源熱泵設計與使用在建筑節能設計中得到了大面積的推廣和使用。國內關于地源熱泵技術的開發和應用還處于初始階段，對于其所在區域建筑的適用性和經濟性仍需進一步探索，本文基于某區域建筑的地源熱泵設計，并對其經濟性進行了探討。

1、地源熱泵的工作機理

當前國內外所使用的地源熱泵技術所遵循的是逆卡諾循環，通過外部供給熱泵消耗較少的能量，將低溫環境中的熱能吸收，并通過熱泵完成大量熱能的輸出，并將其運用到建筑工程的取暖中。通常地源熱泵的供暖空調主要由三個部分構成，即室外地熱能交換體系、熱泵機組部分與室外采暖用空調部分。其作業機理包括如下：

（1）室外的地熱能的換熱體系可以實現冬季給建筑物供給熱量的功能，通過將低溫循環排除熱泵和大地熱源交換作業，達到熱泵機組通過大地“吸熱”和供暖的目的；

（2）水源熱泵機組通過系統介質蒸發形成氣體，并運用機組壓縮機對氣體進行壓縮，隨后通過冷凝設備將氣體轉化為液態，并釋放出熱量。該過程循環作業，不斷生成熱量，供給建筑取暖；

（3）通過建筑室內采暖空調的末端系統，完成冷凝設備和熱機組的熱量交換，促使室內溫度提升達到供暖的效果。

2、某地建筑地源熱泵設計

2.1工程概況

某北方地區建筑，其建筑采暖采用地源熱泵空調系統，同時其生活熱水體系選用的也是地源熱泵系統，其供熱系統總圖見下圖1所示。

該體系主要包括三個運行階段，即：冬季運行階段、夏季運行階段和過渡季運行。建筑室外埋管設計的數量是根據建筑物的冷負荷大小進行設計的。夏季空調所產生的熱能通過熱泵機組將其排到地下，有的熱量可以通過熱泵機組對生活用水進行加熱，實現熱源的科學利用。該建筑運用該熱泵循環體系，全年的生活用水可以科學利用熱源，減少了生活所用熱水對能源的消耗。

2.1.1地源熱泵空調系統

單獨選用地源熱泵的空調體系，主要通過地源熱供給空調的熱源和制冷，夏季熱量排放到地下，冬季通過地源熱交換實現取熱功能，為該建筑的常年采暖和制冷提供服務。地源側進出口采取熱量表設置的方式對地源熱的交換量進行統計，為其經濟性分析提供數據來源。

2.1.2地源熱泵熱水系統

夏季通過熱回收熱泵機組完成熱量的回收和傳遞。空調體系將室內熱量運用熱泵吸收，并向其用于該建筑的生活用水的加熱，減少熱量的散失，同時也節約了生活用水加熱所需的能源。對于過渡季與冬季，采取高溫機組熱循環的方式來制備生活所需熱水，運用地熱能源減少能源消耗。

2.2地源熱果空調生活熱水系統運行策略

為實現該建筑的地源熱泵循環體系的供熱和制冷功能，其系統所選取的釆用如下運行方案：

2.2.1定溫控制

生活用水體系選用定溫控制系統，通過定溫控制來達到水箱溫度的全面控制，該系統正常運行時，其蓄熱水箱選用的時容積式換熱器，其容積大小根據生活熱水的蓄水需求進行設計，并保持其內部的水溫能夠達到一定溫度后會自動停止加熱，當低于某一特定溫度時系統就會持續加熱制備生活用水；

2.2.2熱量控制

該建筑地源熱泵體系全年運行均選取了熱量控制的方法，假設Qk為該體系全年地源熱交換的總量，Qs為該建筑中的生活熱水所需的熱量的總和，并設定Qo表示該建筑對太陽能熱量使用值大小。該體系運行過程中能源通過三方面指標進行控制，即三種能量循環運用，保證該建筑能源的充足，減少耗能取暖。

2.2.3工況節能控制

夏季地源熱泵運行過程中，通過運行工況的控制，達到節能的指標要求。夏季空調使用用戶較多，造成了用戶側負荷的降低，并出現了熱泵機組所回收的熱量達不到生活用水和排熱需求的問題，此時，通過開啟高溫熱泵機組解決制冷和加熱生活用水的需求。地下管線通過水循環進入空調的制冷循環，并運用冷卻水循環的方式實現室內降溫。同時，另一部分水源進入熱水熱機組實現生活用水的加熱。通過以上溫度控制方法和節能控制方法等的實施，達到溫度控制和生活用水制備的設計要求。

2.3地源熱泵系統耗能統計

通過對該建筑地源熱泵系統全年的能耗統計，其統計結果見下表1所示：

通過該地區建筑運用地源熱泵系統的2017年全年能耗統計發現，該建筑放出熱量遠超出建筑釋放熱量，可見該區域建筑可以采取地源熱泵技術，減少太陽能設施的設置，通過運用地源熱，全年可以累積節約大量的能源消耗。

3、地源熱泵技術應用經濟性分析

該建筑所使用的地源熱泵系統設計可以有效減低整個建筑的空調制冷和生活用水制熱所需要消耗的能量，采用地源熱泵系統設計，可以有效降低整個建筑供熱和制冷所耗費的投資，達到了建筑節能設計和節約成本設計的目的。通過上節對某地實際項目的地源熱泵系統設計和能耗統計分析發現，選用該體系具有一定的經濟優勢。比如，該體系選用地源熱泵空調體系和生活熱水體系。通過運行發現，地源熱泵全年可以節約大量的能源，同時可以省去太陽能裝置的設計，減少了成本的消耗。

4、結論

本文對建筑地源熱泵的設計和經濟分析是基于某地區實體項目進行的，通過分析地源熱泵的運行機理，并借助實際案例說明，展現了地源熱泵技術在節能方面的經濟性和科學性。

參考文獻：

[1]李鐵，孫霞，王文禮.地源熱泵經濟性研究[J].山東建筑工程學院學報，2003，18（1）：23-26.

[2]振東. 逆卡諾循環中熱量傳導與守恒[J]. 科技風，2016，（01）：12.