地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)節(jié)能中的應(yīng)用

王志波

摘? ? 要：運(yùn)用地源熱泵技術(shù)的暖通空調(diào)系統(tǒng)，能夠更好地滿足人們的節(jié)能需求和功能穩(wěn)定性要求。而隨著人們環(huán)保意識和節(jié)能意識的不斷加強(qiáng)，在各個(gè)領(lǐng)域?qū)ふ仪鍧嵖稍偕茉矗蔀檎麄€(gè)社會的研究熱點(diǎn)。地源熱泵技術(shù)作為新型的可再生能源，具有良好的清潔性、環(huán)保性，整體的節(jié)能減排效果較為顯著。因此應(yīng)用地源熱泵技術(shù)的暖通空調(diào)系統(tǒng)，其發(fā)展前景較為廣闊。

關(guān)鍵詞：地源熱泵技術(shù);暖通空調(diào)節(jié)能;應(yīng)用

1? 工作原理

在應(yīng)用地源熱泵技術(shù)的暖通空調(diào)系統(tǒng)中，將空調(diào)系統(tǒng)的熱交換器放置于地下，介質(zhì)在強(qiáng)度高、密封性好的環(huán)路中持續(xù)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與土壤間的熱量交換。夏季，地源熱泵機(jī)組將從建筑中吸收的熱能轉(zhuǎn)移到地下，實(shí)現(xiàn)建筑降溫;冬季，地源熱泵將土壤中的熱量轉(zhuǎn)移到建筑當(dāng)中，提高建筑環(huán)境溫度的同時(shí)將其內(nèi)部冷量轉(zhuǎn)移到土壤當(dāng)中。由于自然環(huán)境中的熱量一般都是從高溫向低溫轉(zhuǎn)移，而通過使用熱泵能夠?qū)崃繌牡蜏剌斔偷礁邷兀举|(zhì)上就是一類熱量提升裝置。通過對環(huán)境中已有的熱量進(jìn)行充分利用，提升溫位后擴(kuò)大其利用率，加之地源熱泵系統(tǒng)自身的能耗有限，同時(shí)可以利用外部電能來補(bǔ)充壓縮機(jī)所消耗的功，促進(jìn)系統(tǒng)中的循環(huán)介質(zhì)能夠從低溫持續(xù)吸收熱量，然后向高溫區(qū)域進(jìn)行供熱，確保系統(tǒng)能夠持續(xù)循環(huán)而不間斷。地源熱泵與制冷系統(tǒng)的原理、設(shè)備幾乎相同，但相較于傳統(tǒng)壓縮制冷，地源熱泵制冷不需要龐大的冷凝設(shè)備。

2? 暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中地源熱泵的特點(diǎn)與優(yōu)勢

2.1? 能源可再生

地源熱泵利用的是“地源”，也即地球表面的0～400m范圍內(nèi)的地?zé)豳Y源，這部分資源為冷熱源，可以滿足暖通空調(diào)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的需求。冷熱源也被稱為地能，是指地下水、地下河流、地表土壤、湖泊吸收和存儲的低溫位熱能。以物理學(xué)的角度看，地球表面淺層是一個(gè)效率較高、范圍巨大的太陽能集熱器，每天約有35%～45%的太陽能可以被地表收集，從總量來看，約等于人類每年能耗的500倍。這些資源幾乎是取之不盡用之不竭的，同時(shí)太陽能的應(yīng)用不受到地域、資源限制，屬于典型的可再生資源。

2.2? 高效節(jié)能

在應(yīng)用地源熱泵較早的歐洲國家，研究人員曾進(jìn)行過調(diào)查，在熱交換能力相近的情況下，地源熱泵的COP值達(dá)到了4以上，換言之，用戶每獲取4kWh的熱能或者冷能，只需消耗1kWh能量。傳統(tǒng)的空調(diào)機(jī)COP值往往不會超過2。地源熱泵系統(tǒng)使用的時(shí)候更加節(jié)能環(huán)保，該系統(tǒng)的能源主要來自大地，用熱交換的方式保持室內(nèi)的內(nèi)部溫度平衡，在技術(shù)先進(jìn)的德國慕尼黑，科研人員利用太陽能電池板加強(qiáng)了對太陽能的收集能力，將其與傳統(tǒng)模式下的地源收集存儲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合應(yīng)用，一度將地源熱泵的COP值提高到5.2的水平，節(jié)能效果非常顯著。

2.3? 社會效應(yīng)良好

地源熱泵的能量源是太陽能，而且其裝置結(jié)構(gòu)在工作過程中幾乎不會產(chǎn)生污染，不會產(chǎn)生任何化學(xué)反應(yīng)、廢棄物和煙塵，在居民區(qū)、工業(yè)區(qū)、商業(yè)均可以廣泛應(yīng)用。同時(shí)不需要為燃料準(zhǔn)備倉儲空間、不必進(jìn)行燃料儲備管理、能量傳輸作業(yè)，有效的控制了污染。在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)地源熱泵應(yīng)用的地點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)該設(shè)備的應(yīng)用范圍很廣，也能實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，可以提供冷熱交換基本服務(wù)，也能提供生活用熱水，一套系統(tǒng)可以替換此前具備同類功能的所有系統(tǒng)，降低了運(yùn)維費(fèi)用，社會效應(yīng)突出。

2.4? 良好的穩(wěn)定性

地源熱泵系統(tǒng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性好，尤其在北方地區(qū)，北方冬季溫度低，人們在日常生活中離不開暖通空調(diào)，暴露在房屋外部的保溫系統(tǒng)如果保護(hù)不當(dāng)，很容易遭到破壞或者凍裂，但是地源熱泵系統(tǒng)是埋在地下的，不會受到氣溫的影響，也不會影響到建筑外表的美觀性。此外，地源熱泵系統(tǒng)較高的能源利用率也有利于保證系統(tǒng)工作的高穩(wěn)定性，地源熱泵的能源來自大地，大地可以儲存熱能和冷能，而且溫度在變化的時(shí)候幅度比較小，夏季的時(shí)候，大地將儲存的熱能留到冬季使用，冬季的時(shí)候，大地將存儲的冷能留到夏季使用，從而減少環(huán)境的污染，提高清潔能源的利用效率[1]。

3? 地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能中的具體應(yīng)用

3.1? 針對地源熱泵系統(tǒng)形式的選擇

地源熱泵系統(tǒng)中一般不采用閉式環(huán)路形式，主要是由于該種形式的地源熱泵系統(tǒng)雖然免除了冷卻塔的功耗，但是系統(tǒng)中的冷卻介質(zhì)、土壤、水體三者之間存在傳熱溫差，而且機(jī)組冷卻水溫雖然低于冷卻塔出水溫度，整體的能效高于使用冷卻塔的冷水機(jī)組，但是系統(tǒng)中的地下、水中埋管投資較大，空調(diào)年運(yùn)行周期較短，投資回收周期較長。對于地源側(cè)的水通過熱交換器從土壤中進(jìn)行熱量吸收較為容易，反之向土壤中放熱難度較高，存在暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)營期間由于機(jī)組的高壓保護(hù)起作用而自動(dòng)停機(jī)的情況。這種情況下可以選擇高能效比的常規(guī)冷水機(jī)組，通過系統(tǒng)中的冷卻塔向外部進(jìn)行熱量排放。而在這種情況下，閉式環(huán)路的地源熱泵系統(tǒng)更適用于有冷、熱負(fù)荷需求的系統(tǒng)類型，對于開式環(huán)路形式的地源熱泵系統(tǒng)能夠更好的適應(yīng)于單冷或冷暖空調(diào)系統(tǒng)。

3.2? 可以通過外部措施提升系統(tǒng)換熱能力

若暖通空調(diào)系統(tǒng)缺少足夠的空間容納地下?lián)Q熱器，為了更好地滿足室內(nèi)冬季熱負(fù)荷需求，需要設(shè)置輔助熱源提升暖通空調(diào)系統(tǒng)的能力，在夏季需要使用冷卻塔，增加了暖通空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且針對此類狀況，需要考慮系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性等條件來保證地源熱泵系統(tǒng)選擇合理。若地下?lián)Q熱器的效能可以滿足冬季室內(nèi)熱負(fù)荷但不能滿足夏季室內(nèi)冷負(fù)荷需求，只需要在系統(tǒng)中增加冷卻塔;若系統(tǒng)中的冷、熱負(fù)荷相差較大，可以使用地下埋管加冷卻塔的方式進(jìn)行處理，滿足系統(tǒng)需求的同時(shí)還能降低工程造價(jià)。在這種方式當(dāng)中不需要鍋爐，整個(gè)系統(tǒng)的操作較為便利，工程造價(jià)會顯著降低。

3.3? 高層建筑體系需要綜合考慮多方條件

高層建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)中運(yùn)用地源熱泵技術(shù)時(shí)，需要考慮建筑內(nèi)部空調(diào)系統(tǒng)的控制，是否屬于分層分區(qū)控制。若地源側(cè)垂直埋管時(shí)就需要考慮埋管耐壓，其垂直埋深要進(jìn)行合理控制;同時(shí)要注意建筑高度，避免由于建筑高度造成的系統(tǒng)靜壓超出系統(tǒng)管線的額定壓力。綜合多種因素進(jìn)行考慮，與地下水靜壓抵壓作用后，系統(tǒng)中的垂直埋管能夠適應(yīng)更高的建筑。對于高度較大的建筑，可以通過在地源側(cè)使用板式換熱器的方式進(jìn)行高低壓分區(qū)，類似于中央空調(diào)在高層建筑中對冷媒水系統(tǒng)的高低壓分區(qū)，或者在一定區(qū)域當(dāng)中不進(jìn)行分區(qū)管控，通過在低層設(shè)置的水地源熱泵機(jī)組，由系統(tǒng)末端設(shè)備向高層區(qū)域集中提供冷（熱）媒介質(zhì)。

3.4? 確保空調(diào)機(jī)組與地源熱泵系統(tǒng)類型能夠相互適應(yīng)

部分空調(diào)機(jī)組只適用于水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，另外部分空調(diào)機(jī)組只適用于開環(huán)式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。當(dāng)前市場中的各類機(jī)組名稱不統(tǒng)一，容易出現(xiàn)概念混亂的情況。相關(guān)施工單位或建設(shè)方在進(jìn)行設(shè)備機(jī)組選擇的時(shí)候，要充分了解自身的節(jié)能需求和設(shè)備要求，綜合現(xiàn)場安裝環(huán)境選擇空調(diào)機(jī)組，確保其與地源熱泵系統(tǒng)類型能夠相互適應(yīng)。

4? 結(jié)束語

地源熱泵技術(shù)利用土壤或地下水的蓄熱性能形成熱泵系統(tǒng)，在夏天需要制冷的情況下，將埋地?fù)Q熱器作為冷凝器向地下蓄熱;在冬天需要制熱的情況下，將埋地?fù)Q熱器轉(zhuǎn)作蒸發(fā)器從地下獲取熱量。充分利用土壤和地下水的低位地?zé)豳Y源，又將夏天的熱量轉(zhuǎn)存至地下，以便在冬季進(jìn)行利用，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)的同時(shí)，獲取了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，因此，必須重視地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張成方.暖通空調(diào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中地源熱泵的應(yīng)用分析[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2017（22）：140～141.

[2] 王術(shù)靜.地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用[J].住宅與房地產(chǎn)，2017（32）：206.

[3] 胡勇.淺述地源熱泵在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國住宅設(shè)施，2017（9）：17～18.