地源熱泵技術在暖通空調節能中的應用

白彬

摘 要：在能源危機持續加劇及環境不斷惡化的今天，我國能源發展的主題已經轉變為節能、環保。為減緩能源消耗速度，開發及利用可再生能源顯得尤為重要。作為一種利用可再生能源的空調采暖系統，地源熱泵系統目前在各類建筑物內得到了廣泛應用。相比傳統供熱空調系統，地源熱源系統的優點為高效、節能、環保、無污染、且占地面積小等。但在實際應用過程中，往往會存在大量問題，如熱堆積現象等，為解決此類問題，冷卻塔復合式地源熱泵系統得以利用，該系統的應用更具經濟性，且效果更佳。為此，本文在充分了解冷卻塔復合式地源熱泵系統原理的基礎上，對暖通空調節能中冷卻塔復合式地源熱泵系統的應用進行了分析與探究。

關鍵詞：地源熱泵技術；暖通空調；冷卻塔復合式地源熱泵系統

中圖分類號：TE08 文獻標志碼：A

伴隨我國國民經濟的快速增長，節能減排已經成為建筑業發展的重要問題。在暖通空調節能方面，地源熱泵系統因其良好的環保、節能特性得到了大力推廣。但在系統具體運作過程中，相比冬季由土壤內吸收熱量，夏季排放到土壤內熱量過大的情況下，極易出現熱堆積效應，進而增加土壤溫度，導致地源熱泵系統換熱溫差與穩定數值之間產生偏差，因土壤溫度持續增加，將嚴重影響機組及制冷效率，為此，如何解決熱堆積問題，對地源熱泵系統運行正常影響巨大。冷卻塔復合式地源熱泵系統的應用，能夠有效結合使用地源熱泵、冷卻塔兩種系統形式，此方式可對地源熱泵系統運行缺陷進行有效改善，同時，還能有效控制地埋管用量，降低占地面積，對地埋管全面放熱量、吸熱量進行充分平整。為此，冷卻塔復合式地源熱泵系統在暖通空調節能中得到了廣泛應用。

1 冷卻塔復合式地源熱泵系統原理

作為一種高效、經濟，且節能環保的技術，地源熱泵系統在暖通空調節能方面得到了廣泛應用。但在地源熱泵系統實際使用中，因地埋管散熱、吸熱量差異等因素，導致土壤熱平衡問題愈加凸顯。一般情況下，地源熱泵系統要求必須滿足全年工況要求，如我國南方區域，建筑熱負荷明顯在冷負荷以上，因此，地埋管散熱器內夏天向土壤內排放的熱量要遠遠大于冬天由土壤內獲取的熱量，則北方區域反之。雖然土壤存有相應的自我恢復能力，但在長期運轉過程中，仍會導致土壤溫度升高或下降，進而影響地埋管換熱器的換熱功能，影響地源熱泵節能效果的發揮，更嚴重地會增大能耗。復合式地源熱泵系統是指將地源熱泵系統結合其他形式加熱或散熱系統使用的系統形式，該方式的應用，可對地源熱泵系統的運行性能進行有效改善，是地埋管數量、占地面積減少的重要方式。目前以系統數量劃分，可將冷卻塔復合式地源熱泵系統分為兩種形式，即雙系統、單系統。雙系統形式的主要組成部分為冷水機組、地源熱泵機組，冷水機組散熱主要由冷卻塔負責，熱泵機組散熱、吸熱則由地埋管負責。單系統形式的主要構成部分為散熱系統、地埋管系統。根據冷卻塔與地埋管連接方式的不同，可將冷卻塔復合式地源熱泵系統分為兩種，即串聯、并聯式。如圖1所示。

以上兩種形式各具特點，如串聯式的特點為具有較為簡單的結構、穩定的系統，且易于控制；并聯式不存在冷卻塔系統、地埋管系統互相干擾現象，在熱泵機組運行內可單獨用作冷源，可實現以上兩個系統一起運行。在具體工程應用中，應根據實際情況，合理選擇串聯或并聯形式。

2 工程概況

某建筑工程分為3個區域，即I、II、III區，7652m2為其建筑總面積，其中辦公用房分別位于I、II區，樓層都為6層。基于經濟性原理，為達到建筑制冷、采暖要求，決定選用豎直埋管的冷卻塔復合式地源熱泵空調系統。表1、表2分別為室內、室外設計參數。根據相關數據分析，以690kW為夏季空調的冷負荷值；570kW為冬季空調熱負荷值。

根據公式（1）、公式（2）可分別計算地埋管換熱器負荷中夏季排熱量及冬季吸熱量，具體如下：

夏季排熱量Q排=Q0×（1+1/EER） （1）

夏季排熱量Q吸=Q1×（1-1/COP） （2）

其中，空調設計冷負荷可由Q0表示；

空調設計熱負荷可由Q1表示。

熱泵機組制冷性能系數可由EER表示。

熱泵機組制熱性能系統可由COP表示。

通過上式可得，811.5kW為夏季排放至土壤內的熱量值，而438.4kW為冬季吸取土壤內的熱量值。

3 暖通空調節能中地源熱泵技術的應用要點分析

3.1 熱響應試驗

為滿足供暖、排熱、制冷需求，需測試鉆孔埋管換熱性能。要求以單“U”形管為主，100m為其深度，32mm為管外徑，細砂為回填材料。測試結果顯示，夏季排熱量平均為50W/m，冬季吸熱量平均為40W/m，16.2℃為巖土最初溫度，1.72W/（m·k）為導熱系數。由此可見，本地區土壤地層平均導熱系數一般，為中等水平，以細砂作為回填材料與此地地質條件相符。同時，埋管以豎直單“U”形管為主較為合理，且更具經濟性。

測試環節，現場供電參數存在較大波動，除此之外還產生瞬時停電現象，這種情況下，將嚴重影響循環水流量與測試結果的準確性。由于多種原因都會影響地埋管單位孔深熱交流量，為此，在地源熱泵運行工況一定的情況下，應在30℃、25℃、2℃、6℃分別控制地埋管循環水側夏季進水溫度、出水溫度及冬季進水溫度、出水溫度。

3.2 地埋管換熱器系統

（1）地埋管換熱器設計

一般可在建筑物周圍布設室外地埋管，5m×5m為孔距，共設124個鉆孔，0.15m為孔徑。同樣選用單“U”形管，0.032m為管外徑，102m為鉆孔深度，但埋管有效深度只有100m。為保證地埋管換熱器功能地充分發揮，要求在室外檢查井二級集水、分水器上連接各個豎井的供水、回水管，根據工程建設需求，室外檢查井布設數量為8個。檢查井各個集分水器需進行豎井換熱器連接，數量為12～16個，并將平衡閥安設于二級集水器內，同時，將流量調節閥安設于分水器內，通過水平干管進行二級集分水器與機房一級集分水器連接。

（2）埋管形式

本工程以豎直埋管為主，選取密度較高的聚乙烯PE管作為管材，鉆孔—二級集分水器PE管、二級集分水器—一級集分水器PE管承壓分別為1.6MPa、1.0MPa。

（3）地埋管水系統形式

以一次泵定流量系統為主，通過同程進行管道敷設，要求在地面下方1.5m位置設置水平干管，為避免冬季天氣寒冷出現開裂現象，必須做好保護措施，如黃砂層等。為增強防凍效果，可將乙二醇防凍液（25%）摻加到地下換熱器內，進而提高地源熱泵機組運行的安全性。

（4）土壤熱平衡

為確保地熱熱泵機組運行安全、持續，地熱熱泵熱平衡極為重要。因夏冬兩季排熱、吸熱量不同，系統長期運行必定會對地下巖土體熱平衡造成嚴重影響。通過計算可得，相比冬季吸熱量，夏季排熱量為其兩倍左右。為滿足節能的要求，需多設置一臺冷卻塔加以輔助，盡可能降低巖土體內夏季的排熱量。

（5）回填

管材下放前期，需做好壓力試驗工作，保證管道質量合格才能開始回填施工。為提高地下換熱器傳熱能力，應避免斷層問題出現于回填豎井內，防止對換熱器換熱性能造成不利影響。依照測試結果可見，回填細砂材料時，應適量摻加一些泥漿，待計量準確后即可進行回填施工。

3.3 運行情況分析

設計環節因溫度監測點未設置到地埋管換熱器四周，后期根本不能對兩季地下巖土體平均溫度等進行觀測。但可通過運行監測獲取相應數據進行分析，具體如下。

（1）自投入使用后，系統運行過程中，地源熱泵主機還沒有啟動，待地源側循環水泵運行1h之后，即可進行地下巖土體平均溫度地測量，結果為15.8℃，與熱響應測試結果相比，溫差較小。

（2）系統運作正常的情況下，11.7℃、8.3℃分別為冬季地埋管水側出口、進口溫度，通過觀測系統每日運行情況，早上8點測量出口溫度在11.7℃以上，在運行時間不斷增加的同時，出口溫度將逐步下降，最終可達到9.8℃左右，由此可見，通過觀測系統運行情況，可將土壤溫度變化情況進行充分反映。

結語

綜上所述，相比其他技術，地源熱泵系統節能環保效益更佳，且具備良好經濟性，因此在暖通空調節能方面得到了廣泛應用。本文在充分了解冷卻塔復合式地源熱泵系統原理的基礎上，結合具體工程情況，對暖通空調節能中冷卻塔復合式地源熱泵系統的節能應用進行了分析，通過分析可見，此類地源熱泵系統不僅能夠解決熱堆積問題，同時更具節能效果。

參考文獻

[1]劉逸，殷剛，于春光，等.嚴寒地區太陽能土壤源熱泵供暖運行模擬研究[J].哈爾濱商業大學學報（自然科學版），2016（1）：66-67.

[2]樊學，梁志鴻，朱超.地源熱泵技術在空調節能改造項目中的應用[J].綠色建筑，2011（3）：21-23.

[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）：55-56.

[4]劉青，沙峰，趙金鳳，等.分階段等溫差控制法在換熱站供暖系統中的應用[J].山東冶金，2011（3）：89-90.

[5]李營，由世俊，張歡，等.冷卻塔復合式地源熱泵系統的運行策略研究[J].太陽能學報，2017（6）：101-102.

[6]花莉，范蕊，潘毅群，等.基于熱平衡的復合式地埋管地源熱泵系統運行策略[J]. 暖通空調，2013（12） ：77-78.

[7]文昊，白莉，華亞魏，等.地源熱泵系統的使用對減少大氣霧霾的影響[J].車吉林建筑大學學報，2015（3）：120-121.