地源熱泵技術(shù)措施在暖通工程中的應(yīng)用分析

王硯君

摘 要：暖通空調(diào)在為人們營(yíng)造舒適環(huán)境方面做出突出貢獻(xiàn)，但也帶來(lái)許多負(fù)面影響，能耗問(wèn)題就是其中之一。根據(jù)相關(guān)調(diào)查與統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在發(fā)達(dá)國(guó)家的商業(yè)建筑中中央空調(diào)系統(tǒng)所消耗能源占整個(gè)建筑的50%以上，部分地區(qū)甚至超過(guò)70%。這給能源以及電力造成極大的壓力，因此現(xiàn)階段暖通空調(diào)技術(shù)面對(duì)的主要問(wèn)題就是如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保以及可持續(xù)發(fā)展的總目標(biāo)。本文主要針對(duì)地源熱泵技術(shù)措施在暖通工程中的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；技術(shù)措施；暖通工程；應(yīng)用

1 地源熱泵特點(diǎn)

1.1 節(jié)能減排

地源熱泵技術(shù)應(yīng)用當(dāng)中節(jié)能減排完美表現(xiàn)在轉(zhuǎn)換熱能過(guò)程中，此技術(shù)的總體應(yīng)用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)任何浪費(fèi)能源的情況，同常規(guī)采暖技術(shù)比較，節(jié)能性質(zhì)更加突出。另外，此技術(shù)使用流程中，只是使用了地表淺層的熱能，就可以提高室內(nèi)溫度，也并不會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)能源的情況，也并不會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染。

1.2 維護(hù)成本低

在相同的環(huán)境中，建筑物應(yīng)用地源熱泵技術(shù)可以節(jié)省相當(dāng)一部分的系統(tǒng)維護(hù)成本。通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)情況的充分了解，地緣熱泵的耐久性能非常高，內(nèi)部機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件不多，重點(diǎn)使用部件主要在室內(nèi)以及地下，而且和室外環(huán)境不直接接觸，地下部件的使用壽命為50年，地上部件的使用壽命為30年。因而地源熱泵作為新型空調(diào)系統(tǒng)，其日常維護(hù)成本較低。

1.3 環(huán)保長(zhǎng)效

地源熱泵主要應(yīng)用電能，不依賴其他資源，不會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染，能夠全年連續(xù)應(yīng)用，冬熱夏冷，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效利用，是傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

2 地源熱泵技術(shù)（GSHP）的分類及應(yīng)用

1912年的瑞士專利是地源熱泵最早起源水，但將其在商業(yè)中運(yùn)用只有短短十幾年的時(shí)間，截止到2001年，美國(guó)每年安裝的地源熱泵數(shù)量為40萬(wàn)臺(tái)，總共可降低100萬(wàn)噸的溫室氣體排放，節(jié)約能源的資金折合為美元為4.2億。這項(xiàng)綠色技術(shù)現(xiàn)階段已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)在我國(guó)的推廣與運(yùn)用，對(duì)減少是煤耗以及環(huán)境改善份工作的順利開(kāi)展有積極意義。

生產(chǎn)生活用水以及采暖都可通過(guò)地源熱泵直接提供，在實(shí)際對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用的過(guò)程中也可與電節(jié)能熱泵以及直接加熱設(shè)備鍋爐進(jìn)行聯(lián)合，不僅可在原有基礎(chǔ)上對(duì)一次能源的使用量進(jìn)行大幅度減少，同時(shí)在環(huán)保以及緩解電熱方面也發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用。在實(shí)際對(duì)地源熱泵進(jìn)行分類時(shí)可將熱源以及熱匯形式作為主要依據(jù)，一共可分為大地耦合式熱泵（GCHP）、地下水熱泵（GWHP）和地表水熱泵（SWHP）三種，下面我們對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)分析。

2.1 大地耦合熱泵

地表淺層土壤一直是作為熱源以及熱匯存在于大地耦合熱泵中，通過(guò)與傳統(tǒng)的空氣熱泵進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)大地耦合熱泵具有顯著的優(yōu)勢(shì)與特征。

從地表的空氣以及水角度來(lái)說(shuō)，一定深度下土壤其溫度在全年案范圍內(nèi)波動(dòng)較小，延遲以及衰減是土壤對(duì)地表空氣溫度波動(dòng)的直觀體現(xiàn)，因此在一般情況下我們使用土壤作為熱源以及熱匯裝置支撐熱泵裝置，這可促使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行的目標(biāo)。

土壤作為熱源和熱匯，可以全部或部分的取代傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中的冷卻塔和鍋爐，以減少對(duì)環(huán)境的“熱污染”和空氣污染。

與空氣熱泵相比，大地耦合熱泵不存在除霜問(wèn)題，且回收土壤的熱量不需要風(fēng)機(jī)，可以使系統(tǒng)的噪聲等級(jí)下降。

土壤本身是個(gè)巨大的蓄熱蓄冷體，因此大地耦合熱泵可以和太陽(yáng)能集熱裝置結(jié)合起來(lái)，通過(guò)土壤的蓄、放熱獲得更好的供熱、制冷效果。當(dāng)然，大地耦合熱泵也有一些缺點(diǎn)。

2.2 直接式和間接式大地耦合熱泵

在間接式系統(tǒng)中，載冷劑或鹽水溶液被用來(lái)在熱源和蒸發(fā)器間傳遞熱量，它與直接蒸發(fā)系統(tǒng)相比具有一定優(yōu)點(diǎn)：減少了制冷劑沖灌量，還增加了熱泵系統(tǒng)的靈活性，同時(shí)可使現(xiàn)場(chǎng)工程量降到最低并減免了制冷管路的安裝；但其缺點(diǎn)在于：引入帶有熱交換器的額外流體環(huán)路，增加了初投資，也帶來(lái)額外溫降。需要針對(duì)運(yùn)行工況優(yōu)化設(shè)計(jì)鹽水回路，此外用于載冷劑的流體性質(zhì)也很重要。

2.3 水平式和垂直式大地耦合熱泵

水平熱交換管的地下盤(pán)管由聚乙烯硬塑料管制成，并水平地敷設(shè)于土壤中。在這項(xiàng)技術(shù)中，管子的敷設(shè)深度和塑料管側(cè)間距是兩個(gè)重要參數(shù)。吸熱地面應(yīng)靠近待采暖的建筑物，土壤面積主要取決于土質(zhì)、含水量和該處的太陽(yáng)照射時(shí)間。

塑料管間距越小則熱利用效率越高，但熱交換管量增大、費(fèi)用上升，因此應(yīng)做技術(shù)經(jīng)濟(jì)性考慮。土壤中鋪設(shè)的管群最好分幾組，單根管長(zhǎng)最好不超過(guò)100m，否則消耗的泵功率將過(guò)大。

熱泵工質(zhì)一般采用鹽水溶液，即使在-15℃左右也不會(huì)凍結(jié)，低溫的鹽水溶液由土壤吸收熱量，然后傳給熱泵裝置的蒸發(fā)器，再通過(guò)熱泵過(guò)程，由冷凝器供給熱分配系統(tǒng)。此外，水平熱交換管還有回流式和串流式等不同的敷設(shè)方法，從傳熱效果看，后者的供液與回流管之間不存在熱交換，故對(duì)換熱有利，當(dāng)然，究竟采用何種方式應(yīng)視具體的土質(zhì)和地形而定。

2.4 地下水熱泵

地下水熱泵是地源熱泵的一個(gè)分支，也是迄今為止使用得最廣泛的一種地源熱泵技術(shù)。這種熱泵是以地下深井水作為熱源或熱匯來(lái)對(duì)建筑進(jìn)行供熱或制冷的。由于地下深井水位于較深的地層中，因隔熱和蓄熱作用，其水溫隨季節(jié)氣溫的變化較小，特別是深井水的水溫常年不變，對(duì)熱泵運(yùn)行非常有利，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

整個(gè)水井系統(tǒng)占地面積小，布局緊湊，但卻可以抽取及回灌大量的地下水。

對(duì)大地耦合熱泵言，其地式熱交換器單位容量的造價(jià)基本上是個(gè)定數(shù)，而對(duì)大型地下水熱泵系統(tǒng)，其整個(gè)井水系統(tǒng)單位容量的價(jià)錢(qián)卻便宜得多，只需要一對(duì)較高流量的井即可滿足整幢建筑物的需求。

與傳統(tǒng)的空氣-水中央HVAC系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)良好的地下水熱泵循環(huán)幾乎無(wú)需維護(hù)費(fèi)，且當(dāng)?shù)叵滤毓嗟叫钏畬雍?，?shí)際地層中的含水量并不改變，不會(huì)造成地面沉降。

地下水熱泵在大型商業(yè)系統(tǒng)中使用已有數(shù)十年了，技術(shù)成熟，鉆井施工相對(duì)容易。

地下水熱泵這項(xiàng)技術(shù)也存在不足之處：當(dāng)采用含水層儲(chǔ)存的水作為空調(diào)冷源或熱源時(shí)，其水溫要受到一定限制。若鉆井施工不佳或水質(zhì)較差，則地下水可能會(huì)受到一定污染，而且回灌井的選址也應(yīng)考慮水文地質(zhì)條件。若熱泵裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)或取水位置較深，那么泵的消耗費(fèi)用將上升。因此，在決定某地區(qū)是否采用地下水作為熱泵的冷熱源之前，首先應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密的現(xiàn)場(chǎng)泵水試驗(yàn)，看是否具備足夠的地下水水量；其次還需了解該處的地下水質(zhì)情況，以獲得較準(zhǔn)確詳盡的規(guī)劃方案。

2.5 地表水熱泵

它是利用地表的小溪、池塘、河流、湖泊等水作為熱源和熱匯對(duì)建筑進(jìn)行空調(diào)的熱泵技術(shù)。同常年溫度幾乎保持不變的地下水相比，地表水溫變化劇烈，因此在外界溫度很低的嚴(yán)冬季節(jié)，為了保證供暖所需的熱量，除熱泵外，往往還有安裝第二套熱發(fā)生裝置，即雙聯(lián)熱泵采暖系統(tǒng)。地表水熱泵在實(shí)現(xiàn)用水作熱源時(shí)，可采用下列方法。

用泵站抽取地表水并輸送至熱泵的蒸發(fā)器這種系統(tǒng)適用于對(duì)露天游泳池的水進(jìn)行加熱，也適用于大型建筑物、特別是該建筑物采用空調(diào)時(shí)。該系統(tǒng)使用可清洗的管式熱交換器作為蒸發(fā)器，首先要將地表水經(jīng)細(xì)密格柵引入泵站，降溫后的地表水需重新排回地表水源。嚴(yán)冬季節(jié)時(shí)，此系統(tǒng)需采用雙聯(lián)熱泵采暖裝置。

用井積聚經(jīng)河岸過(guò)濾的水并將其輸送至熱泵蒸發(fā)器這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)河岸過(guò)濾的水能防止污物進(jìn)入蒸發(fā)器，但費(fèi)用較高。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的快速進(jìn)步發(fā)展，人們的生活經(jīng)濟(jì)舒適性標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高。尤其是在冬冷夏熱的地帶，地源熱泵系統(tǒng)都是一機(jī)多用，極大的將人們對(duì)冬季制熱夏季制冷的需要滿足。伴隨著地球上不可再生能源的大量消耗，淺層地?zé)崮艿瓤稍偕鍧嵞茉匆欢〞?huì)變成更為重要的能源。使用地源熱泵技術(shù)促使我國(guó)可持續(xù)發(fā)展以及循環(huán)發(fā)展進(jìn)程，給創(chuàng)建環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會(huì)帶來(lái)幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張鴻鵬.淺析暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則[J].建材與裝飾，2017（44）.