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

朱蔚然

摘要：文章研究了地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)節(jié)能中的應(yīng)用，對(duì)地源熱泵技術(shù)的發(fā)展概況進(jìn)行了分析，并對(duì)地源熱泵-輔助冷卻塔暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建設(shè)方案進(jìn)行了討論，認(rèn)為地源熱泵技術(shù)應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)，能夠大幅度減少暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗，全面提高暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性能。

關(guān)鍵詞：地源熱泵技術(shù)；暖通空調(diào)；空調(diào)節(jié)能；空調(diào)系統(tǒng)；高層建筑；機(jī)電設(shè)備 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU83 文章編號(hào)：1009-2374（2016）14-0081-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.041

人們的生活水平不斷提高，對(duì)建筑環(huán)境的要求也越來越高。暖通空調(diào)作為高層建筑必不可少的機(jī)電設(shè)備，在給人們營(yíng)造了舒適的居住環(huán)境的同時(shí)，也造成了很大的能源浪費(fèi)，于是人們開始研究使用其他清潔能源代替電力維持暖通系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。地源熱泵技術(shù)就是這樣一種新型的暖通空調(diào)技術(shù)，在節(jié)約能源、減少環(huán)境污染、控制碳排放方面有著廣闊的發(fā)展空間。

1 地源熱泵

1.1 地源

地源（groud source）有著十分豐富的漢語內(nèi)涵，包括了所有地下資源。但是現(xiàn)階段，在暖通空調(diào)行業(yè)中，地源主要是指地殼以下400m以內(nèi)范圍的低溫?zé)豳Y源，大部分熱量來自太陽，少部分來自地?zé)帷５乇硭w、土體均是大規(guī)模的太陽能集熱器，太陽輻射能量的47%都被地表吸收，該能量規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類活動(dòng)能耗，是接近無限的清潔可再生能源。地源熱泵技術(shù)的基本思路就是通過少量高品位能源，將淺層熱能轉(zhuǎn)移為高位熱能，在冬天供暖、夏天制冷。

1.2 地源熱泵技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)中葉，能源與環(huán)境問題逐漸為人們所關(guān)注，關(guān)于地源熱泵的研究就已經(jīng)開始，在20世紀(jì)70年代之后，石油危機(jī)促進(jìn)了地源熱泵技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)截至1985年，就已經(jīng)發(fā)展出1萬臺(tái)左右的地源熱泵，1998年則增加到5萬套地源熱泵系統(tǒng)，在空調(diào)總保有量中，地源熱泵占據(jù)了19%的份額。歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家如瑞士、奧地利、德國(guó)均使用地埋管地源熱泵為室內(nèi)地板供暖，并提供生活熱水，瑞士地源熱泵的使用比例高達(dá)96%。近些年，能源危機(jī)加劇，掀起了世界范圍內(nèi)的地源熱泵研究熱潮，地源熱泵裝機(jī)量空前增加。

我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始關(guān)注地源熱泵，一些高等院校開始了關(guān)于地?zé)峁┡睦碚撆c實(shí)驗(yàn)研究，建立了一系列試驗(yàn)臺(tái)，在螺旋盤管地源熱泵供暖與過渡季制冷方面取得了一定的研究成果。1989年，青島建筑工程學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院建立了第一個(gè)關(guān)于水平埋管的地埋管地源熱泵實(shí)驗(yàn)室，至2000年，重慶大學(xué)的50mU型管地下?lián)Q熱器經(jīng)過冬夏運(yùn)行性能測(cè)試，認(rèn)為該地源熱泵已經(jīng)具有工業(yè)級(jí)應(yīng)用價(jià)值。

1.3 混合式地埋管地源熱泵

隨著關(guān)于地源熱泵研究的逐漸深入，研究人員逐漸發(fā)現(xiàn)，土壤熱平衡問題成為了地埋管地源熱泵性能主要的影響因素。不同地區(qū)有著不同的光照條件和氣候條件，如果不能有效解決土壤熱平衡問題，將導(dǎo)致地埋管地源熱泵運(yùn)行效率低下，甚至反而導(dǎo)致耗能增加。例如我國(guó)北方地區(qū)，如果采用冬夏兼用地埋管地源熱泵，北方天氣寒冷，冬季長(zhǎng)期低溫，那么就會(huì)出現(xiàn)冬季提取地層熱量超過夏季地層吸收熱量的情況，而南方卻與之相反，在地源熱泵的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，土壤平均溫度會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致地源熱泵的熱交換效率持續(xù)下降，甚至完全癱瘓。因此研究人員開始研究如何因地制宜地在應(yīng)用地源熱量的同時(shí)保持土壤熱平衡，其中混合式地埋管地源熱泵技術(shù)在維持土壤熱平衡方面表現(xiàn)較好?；旌系芈窆艿卦礋岜猛ㄟ^地源熱泵和其他加熱與散熱技術(shù)的聯(lián)用，消除過分依賴地源熱泵對(duì)土壤溫度的影響。與此同時(shí)，混合型地源熱泵在冬夏分明地區(qū)可根據(jù)冷熱負(fù)荷實(shí)際情況，考慮輔助設(shè)備負(fù)荷，適當(dāng)減小預(yù)埋管長(zhǎng)度，進(jìn)一步減小對(duì)土壤溫度的影響，轉(zhuǎn)變了單一地埋管地源熱泵依靠冷負(fù)荷設(shè)計(jì)的基本原則，降低了地埋管地源熱泵的建設(shè)成本。

2 暖通空調(diào)中地源熱泵的應(yīng)用

2.1 地源熱泵暖通空調(diào)主要形式

根據(jù)熱量來源不同，地源熱泵暖通系統(tǒng)可分為土壤源、地下水源、地表水源三類。埋管式土壤源熱泵系將使用水作為工作介質(zhì)，在土壤內(nèi)部換熱管道與熱泵機(jī)組之間循環(huán)流動(dòng)，完成機(jī)組與土壤之間的熱交換，根據(jù)埋管形式不同，可分為水平和垂直兩類，這也是應(yīng)用最為廣泛的地源熱泵形式，無需抽取地下水。地下水源熱泵以地下水作為熱量來源，抽出地下水之后將水送到換熱器和熱泵機(jī)組，提取或者釋放熱量之后再送回地下，該方案的使用需要征得地方政府的許可，同時(shí)地下要具有充足的水量，回灌工作是該方案的重點(diǎn)。地表水源熱泵使用地表水作為冷熱源，抽取江河湖海水，形成開式循環(huán)或者閉式循環(huán)。開式循環(huán)直接抽取地表水進(jìn)行熱交換，閉式循環(huán)則使用水盤管熱交換器和地表水進(jìn)行熱交換。根據(jù)地源側(cè)水應(yīng)用方式不同，地源熱泵還可以劃分為閉環(huán)與開環(huán)兩類，其中閉環(huán)換熱器內(nèi)的工作介質(zhì)不和外部水或者土壤相連通，工作介質(zhì)在封閉的循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)與外部環(huán)境完成熱交換，在熱泵機(jī)組和地下埋管之間循環(huán)。開環(huán)系統(tǒng)則直接抽取外部水作為工作介質(zhì)，一般都應(yīng)用板式換熱器完成和外部水之間的熱量交換，保護(hù)內(nèi)部熱交換器。

2.2 空調(diào)方案

2.2.1 地埋管換熱器。為了提高暖通空調(diào)方案的經(jīng)濟(jì)性，提高能源利用率，建筑中除了有特殊要求的消防、電梯機(jī)房等房間之外，其余房間均采用集中空調(diào)方案。地埋管熱泵空調(diào)末端設(shè)計(jì)和常規(guī)暖通空調(diào)一致，換熱器是地埋管地源熱泵設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，要根據(jù)建筑規(guī)模確定合適的地埋管鉆井?dāng)?shù)量與長(zhǎng)度，并對(duì)鉆井分布進(jìn)行合理規(guī)劃。在施工區(qū)域內(nèi)進(jìn)行換熱性能測(cè)試，并進(jìn)行鉆孔換熱量計(jì)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(jù)總供熱需求計(jì)算鉆井個(gè)數(shù)：

（1）

式中：

N——鉆孔數(shù)

Q——地埋管熱負(fù)荷（kW）

q——現(xiàn)場(chǎng)換熱性能測(cè)試單位鉆孔深度換熱量（W/m）

H——鉆孔深度

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步確定井深、有效埋深、間距、井直徑等相關(guān)參數(shù)，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(jī)房，將地源側(cè)集水器與分水器均布置在制冷機(jī)房?jī)?nèi)，所有鉆井支路均采用同程設(shè)計(jì)，確保所有支路水壓平衡，支路總管穿墻進(jìn)入機(jī)房分別連接集水器與分水器。

2.2.2 熱回收衛(wèi)生水系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)關(guān)于空調(diào)系統(tǒng)熱回收技術(shù)的研究已經(jīng)初見成效，通過熱回收機(jī)組，將冷卻水中的熱量集中起來，用以生活、生產(chǎn)熱水預(yù)熱/加熱，能夠在降低空調(diào)熱污染的同時(shí)充分利用廢熱。

回收熱進(jìn)行低溫用水預(yù)熱熱交換效率更高，即便應(yīng)用于高溫水加熱，其總功耗仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鍋爐加熱。在地源熱泵暖通空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用熱回收技術(shù)，回收熱不僅可以用于冷水預(yù)熱，還可以應(yīng)用在地?zé)嵫a(bǔ)償中，將廢熱引入地下，從而能夠彌補(bǔ)地?zé)釗p失，緩解地?zé)岵黄胶鈫栴}，減小散熱設(shè)備的設(shè)計(jì)容量。

2.3 冷卻塔運(yùn)行策略

冷卻塔是緩解地?zé)岵黄胶獾闹匾o助冷源，系統(tǒng)余熱引入能夠在一定程度上彌補(bǔ)地?zé)釗p失，但是作用有限，引入冷卻塔則基本能夠達(dá)到地?zé)崞胶?。冷卻塔的啟停運(yùn)行策略，成為解決地?zé)岵黄胶鈫栴}的關(guān)鍵。

2.3.1 設(shè)備選型。冷卻塔要能夠彌補(bǔ)所有系統(tǒng)釋放熱量與制造熱量之間的差，同時(shí)還要避免選型過大造成的浪費(fèi)。

1995年，ASHRAE給出了一種輔助散熱設(shè)備冷卻塔容量計(jì)算方法：

（2）

式中：

QRej——輔助散熱冷卻塔設(shè)計(jì)放熱量（kW）

——設(shè)計(jì)中供冷月的總散熱量（kWh）

QLoop.Rej——設(shè)計(jì)散熱總量（kWh）

Hours——供冷月小時(shí)數(shù)（h）

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

2012年，Kavanaugh專門針對(duì)并聯(lián)混合地埋管地源熱泵系統(tǒng)對(duì)該選型算法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)計(jì)算在考慮散熱塔總?cè)萘康耐瑫r(shí)，兼顧土壤熱量得失平衡。該算法首先計(jì)算輻射散熱塔水流量，之后修正有輔助散熱塔狀態(tài)下滿負(fù)荷冷卻時(shí)，最終獲得輔助散熱設(shè)備工作時(shí)間與容量，容量計(jì)算過程與式（2）類似。

2.3.2 啟停策略。冷卻塔-地源熱泵系統(tǒng)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(shí)，經(jīng)埋管進(jìn)入冷凝器水水溫超過某一設(shè)定溫度，表示地源熱泵散熱負(fù)荷滿載，啟動(dòng)輔助冷卻塔。

方案B：經(jīng)過埋管進(jìn)入冷凝器水文與室外濕球溫度差值達(dá)到一定溫度，啟動(dòng)輔助冷卻塔。

方案C：每年固定幾個(gè)月每天上班時(shí)段開啟冷卻塔。

根據(jù)三種輔助冷卻塔運(yùn)行策略的20年運(yùn)行維護(hù)資料比較分析，認(rèn)為方案B優(yōu)于方案A、方案A優(yōu)于方案C。

近些年，國(guó)內(nèi)關(guān)于地源熱泵暖通空調(diào)的研究中提出了一種新的控制策略，該啟停方案根據(jù)建筑全面冷負(fù)荷逐漸增大再逐漸減小的規(guī)律，制定相應(yīng)的啟停控制策略。制冷初期與后期，冷卻塔運(yùn)行效率很高，單獨(dú)運(yùn)行縮短地源熱泵工作時(shí)間，制冷高峰期，冷卻塔與地源熱泵同時(shí)工作。這樣的啟停策略能夠減少對(duì)土壤熱平衡的影響，使土壤盡快恢復(fù)溫度，同時(shí)保證了散熱質(zhì)量。

3 結(jié)語

地源熱泵技術(shù)是一種低位可再生能源技術(shù)，相比于電力，使用地源熱泵作為建筑暖通空調(diào)能量來源，有著清潔、節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，是一種綠色的暖通空調(diào)方案，在保護(hù)環(huán)境和節(jié)能減排方面都能夠發(fā)揮重要作用。

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（責(zé)任編輯：王 波）