暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中地源熱泵的應(yīng)用研究

冰 雪

(中國市政工程東北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，吉林 長春 130000)

建筑中的暖通空調(diào)是建筑行業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施，不僅可以為人們提供舒適方便的生活條件，而且還可以很大程度上減少能源浪費(fèi)，更有利于新型清潔能源的推廣應(yīng)用。

1 地源熱泵的概念闡述

在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的過程中，其中所包含的地源熱泵，具體是指將空調(diào)系統(tǒng)中的冷凝裝置或者蒸發(fā)裝置安裝在樓宇地下，然后通過土壤或者水來實(shí)現(xiàn)熱源的有效交換，從而使得地源熱泵能夠在高氣溫天氣情況下實(shí)現(xiàn)熱能的有效儲存，在冬季就可以用儲存的這部分能源來為建筑進(jìn)行供暖。同時(shí)，在寒冷的天氣情況下可以通過地源熱泵來對冷能進(jìn)行儲存，到了夏季可以將儲存的這部分冷能用來制冷降溫。總的來說，地源熱泵主要是從大地中吸收能量，所以，通過設(shè)計(jì)這一系統(tǒng)，能夠降低暖通空調(diào)的能源效果，對于生態(tài)環(huán)保是非常有利的。

2 地源熱泵的結(jié)構(gòu)原理闡述

在地源熱泵系統(tǒng)中，主要包括了通風(fēng)、暖風(fēng)、制冷、除濕、過濾和加濕系統(tǒng)，在整個(gè)制冷系統(tǒng)中所應(yīng)用的原理是對冷卻熱交換裝置進(jìn)行應(yīng)用，通過鼓風(fēng)機(jī)將這部分空氣吹入到室內(nèi)當(dāng)中，從而在達(dá)到通風(fēng)效果的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了制冷。一旦室內(nèi)含有大量的水分，那么通過蒸發(fā)裝置來進(jìn)行冷卻，實(shí)現(xiàn)空氣中水分的冷凝，進(jìn)而達(dá)到除濕的效果。暖風(fēng)系統(tǒng)主要用來對室內(nèi)進(jìn)行除霜和取暖，地源熱泵系統(tǒng)是通過對地下熱量的應(yīng)用來使得溫度獲得提升，通風(fēng)系統(tǒng)的主要作用是抽入建筑外面的新鮮空氣，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的通風(fēng)。對于地源熱泵而言，所具有的工作原理大體相同，就是通過人工的方式來為建筑創(chuàng)造一個(gè)更加適合人們生活和居住的環(huán)境。在天氣較為炎熱時(shí)可以采用制冷的措施來降低室內(nèi)溫度，制冷方法有很多種，熱泵制冷主要是利用做功的方式來制冷降溫。在寒冷的天氣下主要是將大地作為熱源，從而為室內(nèi)提供熱量。

3 暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的相關(guān)指標(biāo)分析

3.1 溫度

在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中，溫度是其中的重要控制指標(biāo)，在對溫度這一因素的控制上，一般在一些大型的廠區(qū)中都會有很高的控制要求，尤其是在一些廠區(qū)中對于產(chǎn)品加工有著很高的要求，需要廠區(qū)中的溫度能夠保持在一個(gè)合理的范圍，這樣才能夠確保加工出來的產(chǎn)品達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)。因此，很多大型的工廠所采用的都是溫度自控裝置，以此來對廠區(qū)溫度進(jìn)行有效控制。自控系統(tǒng)對于溫度的控制，就是通過管理人員在系統(tǒng)中設(shè)定的數(shù)值作為參考，并保持回風(fēng)的穩(wěn)定，以此來對最終的結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，在達(dá)到設(shè)計(jì)需求的基本上來使用溫度傳感裝置對溫度進(jìn)行控制。

3.2 凈化

在暖通空調(diào)技術(shù)設(shè)計(jì)的過程中，凈化是其中的關(guān)鍵性指標(biāo)，所謂凈化就是在暖通空調(diào)系統(tǒng)中設(shè)置過濾裝置以實(shí)現(xiàn)對空氣的凈化，通過過濾裝置吸入空氣，利用其中的濾網(wǎng)來將空氣中的有害物質(zhì)過濾掉，經(jīng)過這個(gè)過程的處理來讓空氣變得更加潔凈和清新，進(jìn)一步提升人們的生活質(zhì)量。除此之外，即便是在空氣潔凈程度較高的區(qū)域，也同樣可以應(yīng)用這一設(shè)計(jì)。

4 暖通空調(diào)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中，為了保證地源熱泵本身的最大值，必須注意以下問題:(1)因地制宜。在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中,客觀環(huán)境的優(yōu)勢將直接影響地源熱泵,所以因勢利導(dǎo)必須是覆蓋的原則,地源熱泵的應(yīng)用流程,增加有針對性的加熱設(shè)備和冷卻設(shè)備,可以保證空調(diào)更好的滿足人們的需求,地源熱泵可以達(dá)到更好的價(jià)值。(2)正確選擇單位?；诘卦礋岜门照{(diào)設(shè)計(jì)需要選擇合適的單元為基礎(chǔ),和更高的性能系數(shù)和能源效率比,否則將直接影響建筑夏季制冷、冬季供暖,甚至空調(diào)系統(tǒng)的正常使用也會出現(xiàn)一系列的問題。(3)合理管控?；诘卦礋岜玫呐照{(diào)系統(tǒng)需要合理的控制，控制涉及井組控系統(tǒng)、池控系統(tǒng)、熱泵機(jī)組自動控制系統(tǒng)等，從而進(jìn)行集團(tuán)化管理，保證各個(gè)控制系統(tǒng)的控制能力，以便更好地為人們服務(wù)。

5 地源熱泵的特點(diǎn)

5.1 污染性較低

因?yàn)榈卦礋岜弥饕侩娏︱?qū)動，這樣它就擺脫了燃燒等傳統(tǒng)的能源供給生產(chǎn)形式，從而對防止環(huán)境污染起到了重要作用。地源熱泵具有節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)，具有運(yùn)行時(shí)間和空間限制等優(yōu)點(diǎn)。即使周圍環(huán)境十分惡劣，地源熱泵也同樣能正常工作。如，在極端寒冷的天氣條件下，地源熱泵可為相關(guān)設(shè)備提供充足、穩(wěn)定的能量；在高溫天氣條件下，也能同樣完成針對地下能量的有效釋放，從而保證地下溫度始終在可控的合理范圍內(nèi)，避免由于外界的各種變化造成不良后果。

5.2 具備可再生性

與傳統(tǒng)的能源開發(fā)方式相比，地源熱泵主要依靠相關(guān)的清潔能源開發(fā)技術(shù)。如果在正常運(yùn)行中對地源熱泵進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)整，將清潔能源與可再生能源高度融合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，是可再生能源發(fā)展的新方向。綜上所述，開發(fā)利用太陽能等一系列清潔能源，將地源熱泵技術(shù)作為地源熱泵技術(shù)的能源基礎(chǔ)。因此，要充分利用太陽能等一系列新的清潔能源，不僅保證了地源熱泵的正常供應(yīng)，而且有利于我國節(jié)能減排的進(jìn)一步發(fā)展。

5.3 降低維修費(fèi)用

在地源熱泵技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展方面，證明了使用地源熱泵技術(shù)可以在一定程度上降低系統(tǒng)維護(hù)和技術(shù)開發(fā)的投入成本。促成這種現(xiàn)象的主要原因是，當(dāng)?shù)卦礋岜锰幱谶\(yùn)行狀態(tài)時(shí)，其具有超強(qiáng)的耐久性；而當(dāng)技術(shù)設(shè)備處于工作狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部的各個(gè)元件之間有較少的相互摩擦運(yùn)動，減少了設(shè)備和設(shè)備的磨損，從而使其使用壽命大幅延長。一般而言，應(yīng)用地源熱泵設(shè)備的設(shè)備體都位于地下，這樣可以降低設(shè)備與空氣的接觸概率，有效地防止因空氣中的水汽等氣體而產(chǎn)生的腐蝕問題。同時(shí)，采用地源熱泵技術(shù)的設(shè)備使得部件之間的集成更加緊密，系統(tǒng)更加完善，使得設(shè)備運(yùn)行時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無人操作，減少人工投入，降低成本。

5.4 地源熱泵技術(shù)具備可靠性以及穩(wěn)定性優(yōu)勢

當(dāng)?shù)卦礋岜脩?yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，利用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理，極大地保證了地源熱泵應(yīng)用系統(tǒng)的正常、安全地穩(wěn)定運(yùn)行。另外，地源熱泵相關(guān)管理人員還可通過系統(tǒng)主機(jī)實(shí)現(xiàn)對地源熱泵應(yīng)用系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控。因此，在使用系統(tǒng)時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種問題，并采取有效措施及時(shí)有效地解決這些問題。與此同時(shí)，地源熱泵應(yīng)用系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)中不受環(huán)境因素的影響，使系統(tǒng)內(nèi)部熱源溫度相對穩(wěn)定，有效地控制在制冷系統(tǒng)制熱的范圍內(nèi)，并能在控制范圍內(nèi)。所以，地源熱泵應(yīng)用系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和可靠性。

5.5 地源熱泵的劣勢分析

從目前的情況來看，我國的森林植被遭到了嚴(yán)重的破壞，同時(shí)也存在著隨意排放廢物廢水的情況，從而導(dǎo)致植被和樹木數(shù)量大幅度降低，土壤特性也受到了負(fù)面的影響。地源熱泵的應(yīng)用有著很高的土壤要求，可以說土壤所具備的性質(zhì)會對地源熱泵所發(fā)揮出的性能帶來直接的影響。那么作為工作人員，在對地源熱泵進(jìn)行應(yīng)用的過程中，必須對土質(zhì)、氣候、土壤濕熱等情況進(jìn)行掌握，以此為基礎(chǔ)來對地源熱泵進(jìn)行應(yīng)用才能夠讓人們更加舒適。與此同時(shí)，在多種不同的負(fù)荷條件之下，并未深入的去探究地下?lián)Q熱系統(tǒng)與熱泵裝置之間的配合，地?zé)峒夹g(shù)主要采用的是熱能換熱裝置，重點(diǎn)關(guān)注的是換熱裝置與熱泵系統(tǒng)之間的匹配程度。與線源傳熱不同的是，熱泵系統(tǒng)與換熱裝置的匹配更加關(guān)注傳熱和傳質(zhì)的模型，能夠?qū)Q熱情況進(jìn)行精準(zhǔn)的模擬。對于地質(zhì)情況的不同，所使用的地源技術(shù)也有所區(qū)別，地源工程的投入有著很大的差價(jià)，如果在前期沒有做好調(diào)查工作，或者沒有對技術(shù)方案進(jìn)行深入的分析，那么就可能出現(xiàn)問題。另外，熱泵這一技術(shù)需要和其他技術(shù)之間的合作發(fā)揮功率，需要工作人員能夠同時(shí)掌握多種技術(shù)，這樣才能夠做到技術(shù)應(yīng)用的協(xié)調(diào)，確保其具備足夠的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性。

6 地源熱泵在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

6.1 暖通空調(diào)設(shè)計(jì)原則

要將地源熱泵應(yīng)用于暖通空調(diào)設(shè)計(jì)，就必須首先了解設(shè)計(jì)原則?？紤]到空調(diào)和各個(gè)行業(yè)在建筑中的廣泛應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)低能耗和環(huán)保，暖通空調(diào)設(shè)計(jì)必須在保持功能的同時(shí)節(jié)能、減少污染。目前暖通空調(diào)的生產(chǎn)和應(yīng)用主要遵循節(jié)能的原則。但由于其低能耗，很好的滿足了省電要求。在這種情況下，地?zé)嵩礋岜玫倪\(yùn)行能量主要來自電能，交換介質(zhì)主要是水。能源交換主要采用天然氣能源，基本零污染，符合環(huán)保要求。研究發(fā)現(xiàn)，地?zé)嵩礋岜玫哪芎呐c制冷效果的關(guān)系可達(dá)1∶4，能以較少的能量維持適宜的室溫環(huán)境。

6.2 連接地源熱泵與冷卻塔

熱泵地下設(shè)備與冷卻塔的連接，主要是為了滿足夏季的降溫需要，傳統(tǒng)的地源熱泵原理是以水為介質(zhì)，通過壓縮冷凝器吸收室內(nèi)熱量，接著排放到土里，也可以把地下設(shè)備和冷卻塔連接起來，熱被直接送到冷卻塔，通過冷卻塔冷卻，使熱量以空氣為介質(zhì)直接用于室內(nèi)降溫，防止熱能進(jìn)入土壤，影響生態(tài)環(huán)境。另外，北方、西北地區(qū)等地區(qū)風(fēng)力較大，利用風(fēng)力作為冷卻塔的動力，可確保冷卻過程中所消耗的熱量較少，達(dá)到節(jié)能、減少污染的目的，這種設(shè)計(jì)思想已在小范圍內(nèi)得到了實(shí)踐和應(yīng)用。

6.3 熱泵機(jī)組與空調(diào)設(shè)備的連接

連接空調(diào)和熱泵是將地?zé)嵩礋岜眠B接到暖通空調(diào)的最簡單、最直接的方式，可以替代空調(diào)、制冷、采暖等熱泵機(jī)組。這種接線方法的關(guān)鍵是根據(jù)空調(diào)設(shè)備所需的管道連接不同的熱泵管道。例如，冷風(fēng)管連接到制冷機(jī)組時(shí)。要注意空調(diào)和熱泵機(jī)組的功率差，如果空調(diào)功率大，可適當(dāng)增加地?zé)嵩礋岜玫挠昧浚m當(dāng)降低熱泵的工作量，避免室溫高或低。

6.4 連接空調(diào)設(shè)備和熱回收機(jī)組

熱回收裝置是一種儲存多余熱量的裝置，主要用于夏季室內(nèi)溫度，通過空氣或水收集熱能，通過管道傳遞熱量。儲存在備用熱源或熱回收設(shè)備上。同時(shí)，在寒冷的日子里也可以使用。連接空調(diào)時(shí)，可以通過空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，減少空調(diào)的熱量消耗。此外，該工藝的難點(diǎn)之一是余熱的合理利用和熱回收裝置的儲存。對于熱功能，目前可用的材料具有高比熱容和高蓄熱性能，如，復(fù)合材料、液體材料。

6.5 智能化設(shè)計(jì)

將地源熱泵應(yīng)用于暖通空調(diào)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種趨勢，通過智能化設(shè)計(jì)，可以提高相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用效果。智能化主要體現(xiàn)在暖通空調(diào)集成控制系統(tǒng)中。簡而言之，通過在暖通空調(diào)系統(tǒng)中增加智能模塊來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，同時(shí)控制地源熱泵與能量輸送相關(guān)的工作。比如，當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到合適的溫度時(shí)，供暖運(yùn)行會自動停止，溫度過低或過高都會自動報(bào)警，以保證資源的合理利用，方便人員操作。

7 地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用

7.1 大地耦合熱泵

在現(xiàn)代建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用地源熱泵是必要的。地?zé)岜迷趯?shí)際應(yīng)用中的具體分析如下。

(1)土壤溫度變化對大地耦合熱泵系統(tǒng)影響不大。由于土壤是儲存熱量和熱量的材料，不受溫度和濕度的影響，可以作為熱源向地源熱泵傳遞熱量，為此，人們常把土壤耦合熱泵技術(shù)與太陽能集熱器結(jié)合起來，在暖通系統(tǒng)中，土壤源熱泵可以有效地提高能源利用率，確保其高效運(yùn)行。

(2)與其他地源熱泵相比，地源熱泵更環(huán)保，可以替代傳統(tǒng)的鍋爐和冷卻塔，保護(hù)周圍生態(tài)環(huán)境，降低能耗，減少環(huán)境污染。

(3)土壤耦合熱泵運(yùn)行穩(wěn)定。無論是冬天還是夏天，這個(gè)系統(tǒng)裝置都埋在地下，對設(shè)備沒有影響。即使在北方寒冷的冬天，也不需要給設(shè)備除霜。

7.2 地下水熱泵

地下深井供水可以為系統(tǒng)提供足夠的熱源，實(shí)現(xiàn)夏季暖通制冷，冬季供暖。地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)常采用熱泵技術(shù)。水溫不受外界環(huán)境影響，所以系統(tǒng)水源主要采用地下井水。下面分析地下水熱泵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并討論其實(shí)際應(yīng)用。

(1)與其他地源熱泵相比，無論是地下水回灌還是抽水，占用空間都很小，沒有一種對其占地面積有影響。

(2)地下水源熱泵技術(shù)可以降低地源熱泵技術(shù)的使用成本，系統(tǒng)維護(hù)方便，不破壞生態(tài)環(huán)境。在建筑物暖通空調(diào)的應(yīng)用中，采用地下水熱泵對水資源進(jìn)行回收利用，但灌溉過程中地下水含量保持不變。

7.3 污水源熱泵

所謂污水源熱泵，主要是在城市或者工業(yè)污水中提取熱源，從而通過轉(zhuǎn)化的過程讓其成為更高品質(zhì)的能源，為人們提供熱量。污水源熱泵的特點(diǎn)在于溫度變化幅度較小且水質(zhì)較為穩(wěn)定，其優(yōu)點(diǎn)主要包括這樣兩個(gè)方面：首先，其水質(zhì)溫度常年處于13～25℃，具有輸出熱量穩(wěn)定以及COP值高的優(yōu)勢；其次，污水源熱泵對于污染的排放要更低，并能夠節(jié)省更多的能源，因?yàn)檫@種熱源溫度更加穩(wěn)定，所以無論是制冷還是制熱的系數(shù)都要高于傳統(tǒng)源熱泵。

8 結(jié) 語

綜上所述，地源熱泵是一種科學(xué)、高效的供熱技術(shù)，具有高效、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。采用地源熱泵技術(shù)能有效提高地?zé)豳Y源的利用率，彌補(bǔ)傳統(tǒng)空調(diào)技術(shù)的不足，有利于環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，土壤源熱泵的應(yīng)用能實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧。