地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)節(jié)能中的運(yùn)用分析

張春雨

山東省東營市供熱管理處，山東東營 257091

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。

1 地源熱泵技術(shù)概述

1.1 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?，本質(zhì)上就是一類熱量提升裝置。通過對(duì)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[1]。

1.2 地源熱泵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1.2.1 靈活安全

暖通空調(diào)系統(tǒng)中使用地源熱泵技術(shù)，能夠充分替換傳統(tǒng)的供熱鍋爐、熱水供應(yīng)、制冷空調(diào)等裝置和系統(tǒng)。相關(guān)機(jī)組可以靈活安裝在任何區(qū)域，節(jié)約使用空間的同時(shí)，地源熱泵不需要進(jìn)行能源儲(chǔ)備，減少了很多安全隱患問題。因此，地源熱泵技術(shù)適用于嚴(yán)寒和熱帶地區(qū)的各類暖通空調(diào)系統(tǒng)。

1.2.2 成本較低

應(yīng)用地源熱泵技術(shù)的暖通空調(diào)系統(tǒng)，其運(yùn)行成本低、高效節(jié)能、維修量少、使用壽命長，整個(gè)系統(tǒng)的折舊費(fèi)、維修費(fèi)等都遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較高的自動(dòng)化，不需要專業(yè)人員進(jìn)行操作。并且整體的供暖制冷費(fèi)用只相當(dāng)于普通，系統(tǒng)的30%～70%之間[2]。

1.2.3 高效環(huán)保

地源熱泵利用地表淺層地?zé)豳Y源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，不受地域、資源等限制，量大面廣、無處不在，而應(yīng)用地源熱泵技術(shù)的暖通空調(diào)系統(tǒng)始終處于高效率點(diǎn)位。相較于傳統(tǒng)的電鍋爐加熱和燃料鍋爐，可節(jié)省大量的能源，運(yùn)行費(fèi)用也較低。加之地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，冬季供暖期間不需要使用鍋爐，不會(huì)產(chǎn)生燃燒排放物，能夠有效減少溫室氣體的產(chǎn)生，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)整。

1.2.4 管理便利

地源熱泵系統(tǒng)不需要冷卻塔等其他室外設(shè)備，可以減少鍋爐冷卻系統(tǒng)附屬的能源堆放區(qū)域，能夠有效節(jié)約空間，改善外部環(huán)境，提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)附加值。由于熱泵機(jī)組系統(tǒng)穩(wěn)定性好，不需要各類大型集中性基礎(chǔ)，更不需要專人持續(xù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)值守，有效減少維護(hù)工作量、節(jié)約成本，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組獨(dú)立計(jì)費(fèi)，為使用單位提供良好的管理基礎(chǔ)。

1.3 地源熱泵的分類

1.3.1 土壤源熱泵

這種熱泵系統(tǒng)主要是利用地下巖層中的熱量進(jìn)行閉路循環(huán)，形成的系統(tǒng)體系。將熱泵的換熱器置于地下，與大地進(jìn)行熱量交換，通過循環(huán)液，在密閉的地下埋管中流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的熱傳導(dǎo)。冬季系統(tǒng)從地下收集熱量，將其帶入室內(nèi)，夏季，系統(tǒng)逆向運(yùn)行，從室內(nèi)帶走熱量，將其轉(zhuǎn)入地下巖層[3]。

1.3.2 地下水源熱泵

地下水源熱泵系統(tǒng)能是從水井或礦井中抽取地下水，常用的系統(tǒng)是采用一側(cè)連接地下水，另一側(cè)連接熱泵機(jī)組的方式形成。早期的單層系統(tǒng)的缺點(diǎn)是既浪費(fèi)水資源，又會(huì)造成地層塌陷，容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。當(dāng)前使用雙井系統(tǒng)，一個(gè)抽水，一個(gè)回灌，系統(tǒng)整體造價(jià)相較于土壤源熱泵較低，占地面積較小，技術(shù)較為成熟，但是可供使用的地下水總量有限，水處理要求較為嚴(yán)格，抽取的地下水回灌，不能受到污染。

1.3.3 地表水源熱泵

地表水源熱泵系統(tǒng)將池塘、湖泊、河流中的地表水作為熱源。一般分為閉路和開路兩種系統(tǒng)，在寒冷區(qū)域開路系統(tǒng)不適用，只能采用閉路系統(tǒng)。地表水源熱泵系統(tǒng)造價(jià)低廉、能耗低、維修便利、運(yùn)行費(fèi)用低，但容易受到外部環(huán)境的影響。在公用的水系統(tǒng)當(dāng)中，設(shè)備容易受到損害，還存在效率不穩(wěn)定的情況。

2 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

2.1 針對(duì)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(duì)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(duì)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)[4]。

2.2 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(duì)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(huì)顯著降低。

2.3 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(duì)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(duì)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)。

2.4 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(chǎng)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(chǎng)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)[5]。

2.5 空調(diào)機(jī)組能效和性能需要重點(diǎn)關(guān)注

建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位進(jìn)行機(jī)組選擇的時(shí)候，要針對(duì)所選擇的產(chǎn)品的能效比、性能等參數(shù)進(jìn)行比較、評(píng)價(jià)，針對(duì)同一廠家、同一系列、不同規(guī)格的空調(diào)機(jī)組，在工況不同的情況下，其能效比和性能系數(shù)都會(huì)存在較大差異，并且廠家標(biāo)注的能效比和性能系數(shù)，可能是在不同工況下測(cè)定而來的，造成空調(diào)機(jī)組實(shí)際運(yùn)營的情況下能效比和性能系數(shù)會(huì)相對(duì)給出的參數(shù)出現(xiàn)較大波動(dòng)或變化。

3 結(jié)語

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(shí)和節(jié)能意識(shí)的不斷加強(qiáng)，在各個(gè)領(lǐng)域?qū)ふ仪鍧嵖稍偕茉?，正成為整個(gè)社會(huì)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。

[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] 何勝林.地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)節(jié)能中應(yīng)用探討[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2017（16）：101.

[4] 王海.地源熱泵技術(shù)在礦用集中式暖通空調(diào)節(jié)能中的應(yīng)用[J].世界有色金屬，2016（19）：161，163.

[5] 謝林麗.芻議地源熱泵在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].江西建材，2015（5）：16.