暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中地源熱泵的應(yīng)用

王鵬飛

（山西八建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000）

地源熱泵技術(shù)是在節(jié)能環(huán)保理念下產(chǎn)生的新型節(jié)能技術(shù)，將其應(yīng)用到暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中，可在保障暖通空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，做到能源的科學(xué)管控，以降低系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的能耗，達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)。

1 地源熱泵系統(tǒng)概述

圖1 地源熱泵

地源熱泵屬于一種熱量提升裝置，利用熱泵的運(yùn)轉(zhuǎn)將熱能從低溫運(yùn)送到高溫，在這一過程中，能量的供應(yīng)包含兩部分，一是自身能量，二是從環(huán)境介質(zhì)中提取的能量（如圖1所示）。相比傳統(tǒng)供熱設(shè)備，該裝置能夠節(jié)省近三分之二的能耗，加大能源使用率。現(xiàn)階段蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)就是在地源熱泵技術(shù)支持下組建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥等幾部分構(gòu)成，形成一個(gè)循環(huán)熱能供應(yīng)系統(tǒng)，在優(yōu)化熱能傳輸質(zhì)量的同時(shí)，降低能源消耗。同時(shí)該系統(tǒng)中以深井水替代傳統(tǒng)的冷凝設(shè)備，可降低制冷過程中的能源損耗（如圖2）。

圖2 工作原理

2 地源熱泵的主要特征

2.1 清潔性

傳統(tǒng)暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行中的能源供應(yīng)是依靠燃料燃燒實(shí)現(xiàn)的，燃料在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體，污染空氣。而地源熱泵技術(shù)是利用電能將地表或地下儲(chǔ)存的熱能轉(zhuǎn)化成暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行所需能源，不存在燃料燃燒環(huán)節(jié)，自然也不會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體，清潔性較高［1］。再者，地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可在外部設(shè)立空調(diào)外掛機(jī)，完成自然散熱，不用擔(dān)心污染問題，體現(xiàn)出了清潔性的特點(diǎn)。

2.2 能效性

地源熱泵技術(shù)體系趨于成熟，將其應(yīng)用在暖通空調(diào)系統(tǒng)中，可降低非可再生能源利用率，解決能耗問題。如在寒冷冬季，利用地源熱泵技術(shù)完成熱能供應(yīng)，可將室內(nèi)溫度控制在12～22℃左右，相比傳統(tǒng)的供熱模式，節(jié)省更多熱能輸出。同時(shí)地源熱泵技術(shù)構(gòu)建的循環(huán)系統(tǒng)，可將產(chǎn)生的熱能在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)應(yīng)用，規(guī)避熱能傳輸時(shí)存在的過量消耗問題，滿足節(jié)能要求。

2.3 經(jīng)濟(jì)性

應(yīng)用地源熱泵技術(shù)的暖通空調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性也得到了很好的提升。這主要體現(xiàn)在兩方面：一是在制冷過程中，地源熱泵技術(shù)應(yīng)用后，產(chǎn)生的冷卻溫度明顯低于傳統(tǒng)暖通空調(diào)的冷卻溫度［2］，制冷效果更優(yōu)，能耗量降低，相應(yīng)的資金成本有所下降。二是在制熱中，地源熱泵是利用電能完成熱能轉(zhuǎn)化和供應(yīng)的，相較傳統(tǒng)的暖通空調(diào)系統(tǒng)，能源使用更加單一，消耗量減少，資金成本有所下降，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)顯著。

2.4 可靠性

地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行是依靠計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行管控的，自動(dòng)化水平較高，能夠改善遠(yuǎn)程監(jiān)控效果。一旦運(yùn)行中出現(xiàn)問題，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，通知相關(guān)人員完成檢查和維修，提高問題的處理效率，保障暖通空調(diào)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2.5 穩(wěn)定性

地源熱泵技術(shù)的抵抗性能優(yōu)良，應(yīng)用在暖通空調(diào)系統(tǒng)中，可降低外界不良因素對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成的影響，保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，改善制冷或制熱效果，增強(qiáng)室內(nèi)環(huán)境的舒適性。據(jù)現(xiàn)有資料可知，地源熱泵技術(shù)應(yīng)用后，室內(nèi)溫度可控制在10～25℃之間，供熱及制冷系統(tǒng)可保持在3.5～4.5，較傳統(tǒng)暖通系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高［3］。

3 暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中地源熱泵的應(yīng)用

地源熱泵在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，一方面可對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，加強(qiáng)外形美觀性，減少了占地面積。另一方面也對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)性能予以優(yōu)化，降低了能源損耗，突顯了建筑的舒適性和實(shí)用性，推動(dòng)了行業(yè)進(jìn)步。下面本文就將對(duì)地源熱泵在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用展開詳細(xì)說明。

3.1 與熱泵機(jī)組的結(jié)合

與熱泵機(jī)組結(jié)合是地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中最常見的應(yīng)用方式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，作業(yè)難度較低。在該組合設(shè)計(jì)中，需重點(diǎn)表明的參數(shù)有管道長(zhǎng)度、鉆孔開槽間距、占地面積等，其中管道長(zhǎng)度的確定要根據(jù)地理管道埋設(shè)位置展開合理設(shè)計(jì)，鉆孔開槽間距要求參照冷熱負(fù)荷參數(shù)及其變化特征，加以準(zhǔn)確計(jì)算，占地面積則需根據(jù)最大取熱負(fù)荷和豎向埋管長(zhǎng)度由計(jì)算獲得。在主要參數(shù)確定后，開始熱泵機(jī)房中機(jī)械設(shè)備的選擇，確定設(shè)備型號(hào)、規(guī)格、數(shù)量，按照現(xiàn)有規(guī)范要求開展圖紙?jiān)O(shè)計(jì)作業(yè)，規(guī)范安裝流程和工序，為后續(xù)施工作業(yè)提供依據(jù)。

3.2 與熱回收機(jī)組的結(jié)合

與熱回收機(jī)組結(jié)合的設(shè)計(jì)方式，一般是針對(duì)排熱量系數(shù)較大的工程，尤其是在北方地區(qū)較為常見。北方地區(qū)冬季和夏季的溫差變化較大，冬季環(huán)境溫度較低，室內(nèi)對(duì)于熱量的需求會(huì)有所增加，而夏季地表溫度較高，熱能儲(chǔ)量較為豐富，利用該組合方式，在夏季釋放一定的熱能到巖土體中，將其轉(zhuǎn)化成日常生活所需能源，滿足制冷要求；到了冬季，吸收巖土體中的熱能，為室內(nèi)供暖提供足夠的能源支持，在保證室內(nèi)環(huán)境舒適度的同時(shí)，降低能源損耗。

3.3 與熱泵機(jī)組和冷卻塔的結(jié)合

對(duì)于夏季和冬季對(duì)室內(nèi)溫度都有較高要求的地區(qū)來(lái)說，夏季從巖土體中收集的熱量可不排出，而是將收集到的能量直接轉(zhuǎn)移到冷卻塔內(nèi)，由冷卻塔完成熱能輸送，完善制冷或制熱效果，以此滿足人們的日常生活需求。這樣設(shè)計(jì)的好處在于，一方面利用冷卻塔進(jìn)行熱能儲(chǔ)存，可降低再次吸收轉(zhuǎn)化過程中存在的熱能散失問題，提高能源利用率；另一方面也可做到排熱量系數(shù)的科學(xué)管控，使其在規(guī)定范圍內(nèi)，不受任何外界因素的影響。

此外，對(duì)于北方地區(qū)來(lái)說，進(jìn)入秋季后，風(fēng)力儲(chǔ)量有所提高，這能夠?yàn)槔鋮s塔的運(yùn)行提供充足的動(dòng)力支持。收集的風(fēng)能在轉(zhuǎn)換設(shè)備作用下，可直接轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，為設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)提供源源不斷的能量供應(yīng)，這樣在保障系統(tǒng)高效運(yùn)行的同時(shí)，也可對(duì)能源實(shí)行嚴(yán)格把控，大大降低消耗率。因此，該種機(jī)制的組合在現(xiàn)階段暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中得到了更加廣泛的應(yīng)用，而且很多較大型的空調(diào)廠商都是采用地理管與熱泵機(jī)和冷卻塔結(jié)合的設(shè)計(jì)組合形式。下一步行業(yè)發(fā)展方向?qū)⑹遣粩嗟拈_拓市場(chǎng)，滿足人們?nèi)找嬖黾拥目照{(diào)需求量［4］。

4 地源熱泵應(yīng)用的注意事項(xiàng)

4.1 堅(jiān)持因地制宜的基本原則

地源熱泵在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展的主流趨勢(shì)，不過在實(shí)際應(yīng)用過程中，地源熱泵容易受到外界環(huán)境因素的干擾，無(wú)法發(fā)揮自身的實(shí)際作用和功能。所以在設(shè)計(jì)應(yīng)用中，有必要結(jié)合區(qū)域環(huán)境特點(diǎn)展開科學(xué)調(diào)整，為暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行提供充足的能源供應(yīng)。在夏季熱能儲(chǔ)存量不足，影響冬季供暖的情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要增加制熱裝置來(lái)提高熱能，使熱能滿足相關(guān)規(guī)定要求。當(dāng)大地冬季儲(chǔ)存的冷能量不足，無(wú)法滿足建筑物的夏季制冷需求時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)就要增加冷卻裝置，以滿足人們的使用需求。

4.2 選擇配套機(jī)組，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)

隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的快速發(fā)展，目前市面上存在的機(jī)組種類多且繁雜，再加上缺少規(guī)范化的管理制度，使得機(jī)組選擇存在諸多問題，容易影響地源熱泵系統(tǒng)構(gòu)建和性能發(fā)揮。為此，在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)地源熱泵要求科學(xué)選擇機(jī)組。不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的機(jī)組性能各不相同，在選擇上，需要開展機(jī)組性能的對(duì)比分析，選擇最為符合地源熱泵系統(tǒng)要求的機(jī)組予以搭配，以提高運(yùn)行質(zhì)量。設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)地源熱泵的使用要求，選擇正確的能效比和性能系數(shù)。如果機(jī)組類型或者機(jī)組的能效比與性能系數(shù)同地源熱泵類型不相適應(yīng)，就會(huì)影響地源熱泵系統(tǒng)的正常使用，不利于建筑物的冬季供暖和夏季制冷［5］。

4.3 做好控制系統(tǒng)的管理

地源熱泵的控制系統(tǒng)共分為三部分，即熱泵機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)、水池控制系統(tǒng)和井群控制系統(tǒng)。做好這三個(gè)控制系統(tǒng)的科學(xué)管理，是保證地源熱泵性能發(fā)揮，維護(hù)暖通空調(diào)系統(tǒng)安全高效運(yùn)行，加強(qiáng)能源管控的關(guān)鍵。在熱泵機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)管理中，要求自動(dòng)控制裝置與冷熱設(shè)備間保持協(xié)調(diào)性；水池控制系統(tǒng)應(yīng)對(duì)水池水位予以科學(xué)管控，使其在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)位置上，并在達(dá)到規(guī)定水位線后，開啟或關(guān)閉深井蓋；井群控制系統(tǒng)管理中可采用分組管理模式，以保障系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用具有一定的復(fù)雜性，為確保其在暖通空調(diào)中發(fā)揮出最佳功能，就需加大研究力度，參照實(shí)際情況制定合理的方案措施，科學(xué)選擇配套機(jī)組，堅(jiān)持節(jié)能與因地制宜的原則，以優(yōu)化暖通空調(diào)系統(tǒng)性能，降低能源損耗，為居民提供更為舒適環(huán)保的室內(nèi)環(huán)境。