探討地源熱泵技術在暖通空調節能中的應用

【摘 要】新能源熱泵技術屬于一種新型節能型環保技術，熱泵技術主要是通過將熱量及冷量的轉移來實現供熱取暖及制冷的效果，為人們提供環保式的溫度享受，相對于以往所用的供熱技術更具有環保優勢及質量更佳、效率更高。因此，熱泵技術應用在暖通空調中的范圍越來越廣，受到廣大居民的喜愛及推崇。

【關鍵詞】地源熱泵技術；暖通空調；節能；應用

1分析地源熱泵的概念及特點

所謂地源熱泵技術是指通過少量高品位能源（電能等）將陸地淺層低品位能源轉化為高品位能源的技術。地源熱泵分為土壤源熱泵、地下水熱泵、地表水熱泵等三類，屬于清潔能源的一種。該技術運用于暖通空調當中主要分為熱泵機組、室外地能換熱系統以及室內空調末端系統三個部分，能夠實現調節室內溫度，實現冷熱交替的功能。與此同時，暖通空調中運用地源熱泵技術不但能夠提高工作效率，還能節約大部分能源，減少溫室氣體的排放，實現節能減排的效果，進一步提高企業的經濟效應，響應國家可持續發展策略。特點為：第一，利用可再生能源。對地熱資源的利用其實主要就是依賴可再生能源來實現降溫供暖的功能；第二，具有環保節能優勢。由于地源熱泵技術主要利用的能源是可再生能源，因而地源熱泵技術與傳統的空調系統相比，能源使用更為長效，對環境無污染，較為環保、節能；第三，維護成本低。地源熱泵部件主要布置在地下或是室內，且內部的機械運動部件比較少，因而其耐久性較強，而且其機組支持無人值守、自動化水平高、結構較為緊湊、平均壽命高，屬于無需維護的新型空調系統，因而其維護成本較低。

2暖通空調中地源熱泵的應用分析

2.1地源熱泵暖通空調主要形式

地表水源、地下水源、土壤源是地源熱泵的三個主要熱量來源。

（1）地表水源是利用地表水作為供熱來源，實現供熱。地表水源有兩種循環模式：開式循環和閉式循環。開式循環是指直接將江河湖海等地表水抽取進行熱交換，而閉式循環則需使用水盤管。

（2）地下水源。地下水源是利用地下水作為供熱來源，實現供熱。其工作原理是利用熱泵機組以及換熱器將抽取的地下水釋放或提取熱量后，重新送回地下，實現熱能的循環利用。值得注意的是，由于地下水是地球上重要的水資源，抽取時需要較高的技術，因此在進行地下水熱泵時，不但要征得當地政府的同意，還必須制定完善的回灌方案。

（3）土壤源。土壤源是利用土壤熱泵系統實現供熱。其工作原理是，選取水作為傳熱媒介，實現熱泵機組與土壤內部換熱管道的循環流動，從而實現熱能交換。

2.2空調方案

（1）地埋管換熱器。為了提高暖通空調方案的經濟性，提高能源利用率，建筑中除了有特殊要求的消防、電梯機房等房間之外，其余房間均采用集中空調方案。地埋管熱泵空調末端設計和常規暖通空調一致，換熱器是地埋管地源熱泵設計的核心內容，要根據建筑規模確定合適的地埋管鉆井數量與長度，并對鉆井分布進行合理規劃。在施工區域內進行換熱性能測試，并進行鉆孔換熱量計算，從而了解鉆井單位井深的換熱能力，選用雙U型換熱器，根據總供熱需求計算鉆井個數：

根據經驗與計算結果，進一步確定井深、有效埋深、間距、井直徑等相關參數，布置鉆井要充分利用建筑周邊綠化帶，采用梅花狀布置方案，連接制冷機房，將地源側集水器與分水器均布置在制冷機房內，所有鉆井支路均采用同程設計，確保所有支路水壓平衡，支路總管穿墻進入機房分別連接集水器與分水器。

（2）熱回收衛生水系統。空調系統熱回收技術不但能夠實現對廢熱的充分利用，還能夠對空調產生的熱污染情況進行改善，與鍋爐加熱相比其總功耗較小，具有顯著的節能效果。將熱回收技術應用到地源熱泵暖通空調系統中可以使地熱不平衡現象得到緩解，對地熱損失進行彌補，而且通過將廢熱傳遞給地下，可以實現對地熱進行補償作用，此外，還可以將回收到的熱量用于冷水預熱。

2.3冷卻塔運行策略

冷卻塔是緩解地熱不平衡的重要輔助冷源，系統余熱引入能夠在一定程度上彌補地熱損失，但是作用有限，引入冷卻塔則基本能夠達到地熱平衡。冷卻塔的啟停運行策略，成為解決地熱不平衡問題的關鍵。

（1）設備選型。冷卻塔要能夠彌補所有系統釋放熱量與制造熱量之間的差，同時還要避免選型過大造成的浪費。1995年，ASHRAE給出了一種輔助散熱設備冷卻塔容量計算方法：

該算法中，干式閉環路液體冷卻設備室外設計條件選擇供冷月平均干球溫度，閉式閉環冷卻塔室外設計條件為濕球溫度，由于存在50%供冷月時間室外條件不太惡劣的假設，因此該設計有一定容量余量。

（2）啟停策略。冷卻塔-地源熱泵系統在不同的工況下，冷卻塔的啟停策略有所不同。

方案A：以地埋管地源熱泵換熱為主時，經埋管進入冷凝器水水溫超過某一設定溫度，表示地源熱泵散熱負荷滿載，啟動輔助冷卻塔。

方案B：經過埋管進入冷凝器水文與室外濕球溫度差值達到一定溫度，啟動輔助冷卻塔。

方案C：每年固定幾個月每天上班時段開啟冷卻塔。

根據三種輔助冷卻塔運行策略的20年運行維護資料比較分析，認為方案B優于方案A、方案A優于方案C。近些年，國內關于地源熱泵暖通空調的研究中提出了一種新的控制策略，該啟停方案根據建筑全面冷負荷逐漸增大再逐漸減小的規律，制定相應的啟?？刂撇呗浴Ｖ评涑跗谂c后期，冷卻塔運行效率很高，單獨運行縮短地源熱泵工作時間，制冷高峰期，冷卻塔與地源熱泵同時工作。這樣的啟停策略能夠減少對土壤熱平衡的影響，使土壤盡快恢復溫度，同時保證了散熱質量。

3結語

總而言之，地源熱泵技術是一種低位可再生能源技術，相比于電力，使用地源熱泵作為建筑暖通空調能量來源，有著清潔、節能的優勢，是一種綠色的暖通空調方案，在保護環境和節能減排方面都能夠發揮重要作用。

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作者簡介：

田向偉（1988.1-），男，山東煙臺人，西南科技大學供熱、供燃氣、通風及空調工程碩士，設計師，單位：煙臺市建筑設計研究股份有限公司，研究方向：建筑節能，室內環境控制。

（作者單位：煙臺市建筑設計研究股份有限公司）