地源熱泵在暖通空調設計中的應用

申建光

西安市建筑設計研究院有限公司，陜西 西安 710054

如今空調的使用已經十分廣泛。人們可以不受天氣影響，通過空調控制室內溫度，在一定程度上提高了居民的舒適度和生產效率。但與此同時，空調的大量使用卻給自然環境造成了極大的破壞，而且消耗了大量能源，因此要實現城市建設的可持續發展，空調設計者就必須不斷創新，設計出低能耗、環保安全的新型空調。地源熱泵具有節能減排、環境友好的特性，在一定程度上節約了建筑資源，具有良好的環境效益和經濟效益，因此近幾年地源熱泵逐漸被暖通空調設計者重視起來。

1 地源熱泵概述

地源熱泵技術最早被英、美兩國提出，后來隨著空調技術的發展及對外開放傳入我國，它實際上是以巖土、地表水或者地下水作為低溫熱源，由建筑內系統、地下換熱系統、水源熱泵機組構成的空調系統。依據地熱能利用方式的不同，地源熱泵又分為地下水地源熱泵系統、地表水地源熱泵系統以及地埋管地源熱泵系統。

在暖通空調設計中所應用的地源熱泵通常屬于地埋管地源熱泵系統。具體是將暖通空調中的冷凝器或蒸發器設置于建筑地面下，以土壤和水為傳熱介質實現熱傳遞。地源熱泵將地表熱能收集儲備，實現整個建筑內外熱交換。地源熱泵能量來源是大地，故將地源熱泵應用于暖通空調的設計可以降低能耗，削弱對環境的破壞性。

2 地源熱泵的特性

2.1 清潔性

地源熱泵在工作中主要是將地熱能源轉化為整個暖通空調的系統運行能源，因此不需要通過燃燒放熱，降低了對自然環境的污染。此外，地源熱泵系統在暖空調中的設計不需要傳統空調所需要的空調外掛機，不會因室外排熱引起環境空氣污染和噪聲污染，幾乎不會對外部環境造成污染和影響。

2.2 能效經濟性

傳統鍋爐的熱轉化效率為70%～90%，地源熱泵相較于鍋爐可節約一半以上的能量。地源熱泵熱源在全年都相對穩定，其制冷、制熱系數在3.5～4.4，相較于傳統鍋爐可高出40%左右。從制熱和制冷角度分別分析，制熱時，地源熱泵系統在運行中主要是依靠電能供應實現供熱的，能源消耗相對較低，經濟成本較少；制冷時，地源熱泵系統產生的冷卻溫度要明顯低于傳統暖通空調冷卻系統，應用地源熱泵的暖通空調系統，其費用能夠降低1/3左右，經濟優勢明顯，因此地源熱泵空調系迅速發展起來。

2.3 穩定可靠性

一般正常運行情況下，地源熱泵工作系統是由中央計算機進行整體管理和控制，保證了整個暖通空調系統在多工況運行狀態下的穩定性和可靠性。與此同時，暖通空調系統也可以通過管理員遠程控制和調節，滿足了特定狀況下用戶的個性化需求。

3 地源熱泵在暖通空調設計中的具體應用

3.1 地埋管地源熱泵系統

地埋管地源熱泵因其可利用大地冬暖夏涼及溫度變化幅度較小的特性被應用于暖通空調中，其主要工作原理是通過地下埋管的封閉循環水為傳熱介質進行能量交換。地埋管地源熱泵實現制冷或制熱功能只需要少量的熱泵機就能實現，熱泵機完成室內和土壤的熱量交換，實現室內制冷、供暖及制備熱水。

夏季地埋管地源熱泵主要進行制冷工作和提供生活熱水，在整個地源熱泵空調機組中空調熱交換器被埋于地下，通過高強度埋管封閉回路中的水流循環，實現與地表層土壤的冷熱交換和室內的風機盤制冷效果。與此同時，空調機組產生的多余熱量一方面用于生活熱水的制備，另一方面熱量被重新轉移到地下，儲存熱量的同時實現房屋內的降溫。地埋管地源熱泵在冬季主要實現地板采暖和提供生活熱水的功能。地埋管系統工作原理：埋于地下的封閉回路將土壤傳送于室內的熱量通過室內暖通空調的末端釋放出來，進而通過供暖設施提供生活熱水。地埋管地源熱泵示意圖如圖1所示。

圖1 地埋管地源熱泵示意圖

3.2 地下水地源熱泵系統

地下水地源熱泵系統相較于其他類型的地源熱泵系統，其效率更高，并且其建設成本也相對較低。目前應用中的地下水地源熱泵系統主要是指能夠與地下水進行熱量交換的地熱能交換系統，具體由三個部分組成，分別是室外地熱能交換系統、水源熱泵機組和建筑物內系統。其系統類型大致可分為直流式、同井回灌式，異井回灌三種形式。通常情況下，地下水溫度在25℃以下，而夏季室外空氣溫度大多數時間在25℃以上，冬季室外空氣溫度大部分時間低于25℃，這就存在較大的熱容量，能相對輕松地實現熱能由低品位向高品位的轉移，因此夏季能夠用于室內降溫，冬季又可用于室內采暖。地下水地源熱泵系統主要運用深層地下水作為主要水資源，加之地下水顯著的恒溫效果，使地下水地源熱泵的能效性明顯提高，從而減少電能的浪費，有著相對較高的經濟效益，因此地下水地源熱泵相對而言性價比較高。地下水地源熱泵示意圖如圖2所示。

圖2 地下水地源熱泵示意圖

3.3 地表水地源熱泵系統

地表水地源熱泵系統同樣有供暖和制冷兩種功能，但是區別在于地表水地源熱泵系統實現制冷功能主要是依靠氣體向液體進行熱量轉換，通過冷媒處理把熱量給吸收進來，再將冷氣釋放于室內。供暖則是通過冷凝器將液體蒸發后通過機組循環及處理，將熱量釋放于室內。

當暖通空調處于制冷工作狀態時，地表水地源熱泵機組內的壓縮機會對冷媒做功，進而實現汽化—液化的循環。在進行制冷工作時，地源熱泵壓縮機開始對冷媒做功，使得水在機組內不斷進行汽液轉換。這時冷媒將熱量通過風機盤進行吸收，熱量最后通過整個機組的水路循環傳送至地表水。室內熱量不斷傳輸到地下，風機盤將熱量處理，制冷得以實現。

當暖通空調處于制熱工作狀態時，通過換向閥實現冷媒流動方向的轉變，地表水熱量被地下水循環系統所吸收，進而通過冷媒蒸發，又將水路循環中的熱傳送至冷媒，在冷媒循環的同時通過冷媒的冷凝作用將熱量再一次傳至風機盤。在地下的熱量不斷被轉移至室內的過程中，最終形成熱風，以此向室內供暖。

4 結束語

總體而言，地源熱泵因其高效節能的特點和良好的經濟效益，在暖通空調中設計中的應用前景是十分廣闊的。其具體的工作原理在技術方面也有強有力的科學理論依據作為支撐。合理應用地源熱泵技術，可在促進系統正常運轉的基礎上減少其對環境帶來的污染，并以此推動建筑行業的持續發展。但是就目前而言，地源熱泵在暖通空調中的實際應用還沒有完全流行起來，希望今后相關設計工作者能不斷突破，早日實現地源熱泵空調在普通居民住宅中的普及使用。