地源熱泵技術在暖通空調中的應用分析

文/何耀炳，華南理工大學建筑設計研究院

隨著社會經濟的發展和民眾生活水平的不斷提高，居住環境舒適度的問題也越來越受到人們的重視，其中暖通空調作為高層建筑中用于控制空氣溫度和濕度的系統設備，在為人們提高居住舒適度的同時也帶了很多環保問題。傳統方式運行的暖通空調不僅能耗巨大，還會排放很多的污染物質，給環境帶來嚴重危害。而地熱作為地球內部清潔無污染且儲量巨大的能源，將其以地源熱泵技術的形式來應用到暖通空調中不但可以很好地解決以往困擾人們的環保問題，還能很好地提高人們的居住舒適度。

1 大地耦合熱泵技術在暖通空調中的應用

大地耦合熱泵指的是將地表淺層土壤作為熱源或熱匯，并以水平或U型管的形式將耦合式地熱交換器安放在預設的地溝中或豎井中，接著將交換器和建筑內的環路進行連接的一種地源熱泵技術，其具備波動溫度小、降低以往空調運行中出現空氣、熱和噪聲污染的可能性及最大限度利用太陽能的優點，其按照不同形式有以下分類：

1.1 間接式大地耦合熱泵，通過熱泵工質-水換熱器的間接形式進行換熱，主要用鹽水溶液和載冷劑在蒸發器或熱源間交換熱量，有著減少制冷劑充灌量、增加熱泵系統靈活性并降低工程量的優點，但也有著需要額外引入交換器會導致增加成本的缺點；

1.2 直接式大地耦合熱泵，通過埋于地下的盤管膨脹來交換熱量，通常是將一或兩根長90米的銅管用做兩缸或三缸的壓縮機埋入地下，從地下抽熱，成本小，能有效減少投資，特別適合普通家庭使用；

1.3 水平式大地耦合熱泵，通過聚乙烯硬塑料管進行換熱，管長不超過100米，熱泵工質采用鹽水溶液，可以在零下15攝氏度時正常運行，通過鹽水溶液來吸收熱量；

1.4 垂直式大地耦合熱泵，將由內外兩根管子組成的導管垂直安放在土壤中，借助其進行吸熱，管深可超過100米，通常以金屬或聚乙烯塑料為材料構成。

2 地下水熱泵技術在暖通空調中的應用

地下水熱泵技術是各種地源熱泵技術中得到最廣泛應用的一種，該類熱泵技術通過地下深井水，依靠熱匯、熱源進行制冷或供熱。因為地下深井水位處于較深地層中，在隔熱和蓄熱的作用下，不但深度較淺，而且水溫常年保持不變，這對熱泵的運行有著顯著的優勢，具體來講表現在以下幾個方面：

2.1 水井布局緊湊、占地面積小，有利于地下水抽取和回灌工作的開展；

2.2 針對大地耦合熱泵而言，地式熱交換器單位容量造價基本固定，改善成本較小，且井水單位容量成本極低，只需要擁有普通流量即可滿足整棟建筑物的需求；

2.3 同傳統的中央空調HVAC系統相比，設計良好的地下熱泵系統基本上不需要使用特別的費用來進行維護，若地下水回灌到蓄水層，也不會影響整個地層中的實際含水量。這將避免出現底層沉降的問題，有效保護當地的地理環境和生態環境；

2.4 很多商業系統使用地下水熱泵技術已經數十年了，多年的實踐已使該技術十分成熟，這有利于施工順利。

但同時地下水熱泵技術也存在著以下幾點不足：

2.4.1 采用含水層蓄水來調節空調，其溫度將受到一定限制；

2.4.2 若鉆井施工或井水水質不佳，會造成地下水污染；

2.4.3 若熱泵系統設計不合理或取水位置較深，將增加泵消耗的成本。

3 案例設計

一工程項目為某公司安裝中央空調，公司包括地下一層和地上十二層，總高度48米，建筑面積為68000平方米。

空調冷熱源：本工程所采用空調面積為46962平方米，空調冷負荷為6600KW，熱負荷為4900KW，選用螺桿式地源熱泵機組四臺，制冷量1696KW、輸入功率283.6KW，制熱量1502KW、輸入功率34 7.5KW。

室外地埋管采用豎直U形埋管的形式，根據就近地源熱泵項目所做的熱相應測試結果來確定埋管數量和形式，最終依照建筑物室外總平面和估算地質情況，采用DN32,雙U型垂直埋管換熱器，管之間間隔4米，采用水平非集管式連接

室外垂直設計：選用PE管U型單排管D25 2.3+0.5/PE100 1.6MP a，管用于埋管的豎井之間間距4*4米，埋管井徑D160，井深102米，指標為制冷60W/米，制熱45W/米

冷負荷制冷量6150KW/小時，熱負荷制熱量4500KW/小時

本工程所安裝空調夏季冷負荷6150KW/小時，COP值取6，運行取120天，冬季熱負荷4500KW/小時，COP值取4.5，運行取120天，空調季均負荷0.7，日均負荷0.9每天運行8小時，得出其整個夏季將向大地放熱4339440KW，冬季將向大地吸熱2086560KW，中間有著52%的不平衡率。若不平衡率由土壤承擔會造成土壤冷熱失衡。這時本工程采用冷卻塔來解決這一失衡問題，保證土壤溫度的平衡。

本工程使用雙U型管的垂直耦合埋管法，埋管區域設計在綠化帶和裙房建筑基礎內，提高了埋管的換熱效率，埋管材料選用型號HDPE -100、管徑Φ25，壁厚2.3MM的材料，這種管道可以耐受1.6MPA的壓力，埋管時運用對管的U型穹頭采用電熔焊接，以保證管道接頭的連接強度和焊接質量。

經計算得出：夏季期間制冷電費為767520元，冬季供暖電費為783628元，全年運行費用為1551148元。而傳統的制冷和供暖方式全年運行費用為2459443元，節省費用90萬元。按熱電廠每發1KW H點耗費0.361千克標準煤計算，每年可節省能源433噸，環保優勢十分明顯。

4 總結

綜上所述，本文集中研究了地源熱泵技術在暖通空調中的應用方式和應用效果，應用地源熱泵技術中的大地耦合熱泵、地下水熱泵和污水源熱泵可以取得節省建筑成本，減少能源消耗量和污染物質排放量的良好效果，希望本文的研究可以更好地提升我國地源熱泵技術的總體水平，擴大其應用范圍，為我國空調系統工程實現可持續發展做出貢獻。

【參考文獻】

[1]邵明亮.地源熱泵在建筑空調設計中的應用分析[J].科技致富向導，2011