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

李 庭

河北建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河北 石家莊 050011

近年來，地源熱泵的安裝和設(shè)計(jì)逐漸受到人們的關(guān)注。實(shí)際上，地源熱泵可以起到高效節(jié)能的作用，提高城市供暖系統(tǒng)的價(jià)值，在建筑暖通空調(diào)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，地源熱泵具有良好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性優(yōu)勢(shì)，突出顯示了保護(hù)環(huán)境、節(jié)約建筑資源、增強(qiáng)節(jié)能效果等特性。在室內(nèi)暖通空調(diào)設(shè)計(jì)過程中，需要將地源熱泵安裝在合適的建筑內(nèi)部，合理科學(xué)采用地源熱泵，綜合提高室內(nèi)節(jié)能效果及居住舒適度。如圖1所示，地源熱泵系統(tǒng)是由地源熱泵主機(jī)與埋管系統(tǒng)連接進(jìn)行工作，為用戶提供便捷。

圖1 地源熱泵系統(tǒng)

理論上，地源熱泵是安裝在近地表的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，滿足人們對(duì)空調(diào)功能的需求，而且能提高經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。地源熱泵可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷和制熱功能，用新型資源代替緊缺資源，符合開源節(jié)流的要求，由于我國(guó)在城市建設(shè)過程中大量能源逐漸緊缺，而這種新型地源熱泵技術(shù)為短缺的能源找到了突破口，根據(jù)調(diào)查研究表明:為了達(dá)到城鄉(xiāng)供暖方式優(yōu)化，地源熱泵技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)快速普及，改善了傳統(tǒng)的制冷制熱技術(shù)所需的能源，降低了能耗，而且有效節(jié)約了成本，能夠使空調(diào)的普及率大大提升，為人們帶去舒適便捷的生活。將地源熱泵技術(shù)應(yīng)用于暖通空調(diào)設(shè)計(jì)，不僅兼顧了成本和節(jié)能問題，而且給居民提供供暖制冷服務(wù)，在未來發(fā)展趨勢(shì)勢(shì)不可擋[1]。如圖2所示，地源熱泵工作系統(tǒng)是通過地源熱泵主機(jī)通過吸收土壤溫度，并連接水箱和風(fēng)機(jī)盤管，從而實(shí)現(xiàn)制熱制冷功能。

圖2 地源熱泵工作示意圖

1 地源熱泵概述

地源熱泵技術(shù)應(yīng)用于暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中是在地下通過水介質(zhì)與土壤進(jìn)行熱量頻繁傳遞。在一年運(yùn)行中，可以達(dá)到熱量平衡，進(jìn)而維持室內(nèi)溫度均衡，從而使地源熱泵系統(tǒng)在夏季高溫時(shí)儲(chǔ)存大量熱能，到冬季時(shí)，再向建筑物適當(dāng)熱源，滿足冬季熱量需求；在寒冷的冬天，地源熱泵可以為將空氣中的冷氣儲(chǔ)存起來，在夏季釋放，完成制冷。地源熱泵系統(tǒng)的能量來源于大地，因此該技術(shù)設(shè)計(jì)基本是在地下進(jìn)行，大大減少對(duì)環(huán)境的污染，并且，利用季節(jié)存儲(chǔ)能量，可以減少能源的消耗。如圖3所示，在地源熱泵工作系統(tǒng)中，主要包括通風(fēng)、制冷、制熱等，通風(fēng)系統(tǒng)是連接室內(nèi)和室外機(jī)組，吸入室外的新鮮空氣，并將室內(nèi)空氣排出，進(jìn)行換氣，達(dá)到室內(nèi)通風(fēng)效果；整個(gè)制冷系統(tǒng)的原理是應(yīng)用冷熱轉(zhuǎn)換裝置，通過風(fēng)機(jī)盤管達(dá)到室內(nèi)降溫的目的；暖風(fēng)系統(tǒng)用于室內(nèi)除霜和供暖，經(jīng)過地板采暖系統(tǒng)，達(dá)到供暖效果。此外，如果室內(nèi)濕氣嚴(yán)重，可以利用蒸發(fā)裝置進(jìn)行降溫，將空氣中的水分冷凝，排除濕氣。

圖3 地源熱泵工作示意圖

2 地源熱泵的特性

從地源熱泵的概念出發(fā)，它是在淺層地?zé)岬挠行ё饔孟逻M(jìn)行的，例如，可以使用地表水、土壤和地下水等能源，用于加熱或冷卻的高效節(jié)能系統(tǒng)。地源熱泵技術(shù)應(yīng)用于暖通空調(diào)設(shè)計(jì)，主要是把常規(guī)空調(diào)中的冷凝器或蒸發(fā)器合理地埋在地下，在中間介質(zhì)的有效作用下，以相對(duì)封閉的循環(huán)系統(tǒng)在地下循環(huán)，與地下的熱能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，方便室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。地源熱泵技術(shù)應(yīng)用于暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中可以降低能源的消耗，達(dá)到綠色環(huán)保效果，而且功能更加便捷[2]。

2.1 清潔性

地源熱泵是將地?zé)崮苻D(zhuǎn)化為整個(gè)暖通空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能量，減少了因燃燒而造成的環(huán)境污染，具有清潔作用。不僅如此，地源熱泵系統(tǒng)在暖通空調(diào)中的設(shè)計(jì)改變了以前室外空調(diào)放置，因此不會(huì)對(duì)室外進(jìn)行排熱，降低環(huán)境空氣污染和噪音污染，在最大程度上保護(hù)了環(huán)境。

2.2 減少成本并且提高經(jīng)濟(jì)效益

地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)空調(diào)的不足，全面提升空調(diào)性能，獲得更高的綜合經(jīng)濟(jì)效益。原因在于地源熱泵能達(dá)到比傳統(tǒng)空調(diào)更好的制冷制熱效果，所以綜合性能超越了傳統(tǒng)的冷卻塔供暖方式。不僅如此，地源熱泵還可以控制在較低的冷凝溫度范圍內(nèi)，將制冷成本降低三分之一甚至一半[3]。總而言之，地源熱泵在暖通空調(diào)中的應(yīng)用有利于室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)，提高了地源熱泵整體經(jīng)濟(jì)效益，使暖通空調(diào)系統(tǒng)的功能提升。除此之外，地源熱泵還可以設(shè)置無人看管熱泵運(yùn)行模式，無需管理人員時(shí)刻操作，地源熱泵可以進(jìn)行自主運(yùn)行?？梢钥闯?，地源熱泵的應(yīng)用可以從設(shè)備和管理上綜合降低成本，也減少了能源消耗，極大的提高了經(jīng)濟(jì)效益?？傮w而言，地埋式地源熱泵能夠節(jié)省空間、機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊、隔絕空氣腐蝕、地下環(huán)境穩(wěn)定等特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部件的使用壽命有益，確保機(jī)組能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 地源熱泵具有多樣化

采用地源熱泵技術(shù)可以在建筑物內(nèi)進(jìn)行供暖和制冷，生活所需的熱水也可以來源于地源熱泵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)的多樣化應(yīng)用，在建筑物中同時(shí)進(jìn)行供熱和制冷，充分體現(xiàn)了地源熱泵的顯著優(yōu)勢(shì)，采用此技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低投入，高回報(bào)的效果，節(jié)約能源，滿足多元化的供暖和制冷需求。

2.4 穩(wěn)定可靠性

地源熱泵運(yùn)行工作系統(tǒng)由中央計(jì)算機(jī)整體管理和控制，確保暖通空調(diào)系統(tǒng)在執(zhí)行各項(xiàng)工作時(shí)維持穩(wěn)定性和輸出可靠性。此外，管理員可以對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，及時(shí)為用戶調(diào)整，加快問題解決的效率，提高了用戶使用的滿意度。

2.5 節(jié)約能源促發(fā)展

暖通空調(diào)系統(tǒng)可以讓人們隨意調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣濕度、溫度等，提高空氣的舒適度、潔凈度等重要生活指標(biāo)，而且室內(nèi)環(huán)境不可能是靜態(tài)的，人體皮膚也具有主動(dòng)適應(yīng)做出相關(guān)溫度變換調(diào)整的能力，維持身體機(jī)能正常運(yùn)行，對(duì)短期的溫度變化進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。需要注意的是，由于在城市化的進(jìn)程中，資源被大量利用，資源有限，不允許我們無盡的開采，所以保護(hù)地球資源是我們每一個(gè)人的義不容辭的責(zé)任，而地源熱泵技術(shù)應(yīng)用于暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中，極大的降低了對(duì)資源的利用率，減緩了資源的緊張狀態(tài)，也提升了經(jīng)濟(jì)效益，為未來的發(fā)展保駕護(hù)航[4]。

2.6 維持生態(tài)環(huán)境平衡

夏季，地源熱泵將室內(nèi)熱量通過地下進(jìn)行排放，到了冬季再將地下的熱量輸送到室內(nèi)，提高室內(nèi)溫度，通過這樣的方式，有效利用資源，減少向環(huán)境排放的污染，也大大減少了資源浪費(fèi)，有助于維持生態(tài)環(huán)境的平衡。

3 暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中地?zé)岜迷吹倪\(yùn)用

由于人們的生活水平不斷上升，對(duì)資源的需求逐漸增加，然而資源緊缺人人皆知，因此地源熱泵技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。近年來，科學(xué)家們不斷探索實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)對(duì)地源熱泵技術(shù)的要點(diǎn)基本掌握。因此，地源熱泵技術(shù)可以應(yīng)用于暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)而美化暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)外觀，而且可以提升各項(xiàng)功能。從環(huán)保節(jié)能的角度出發(fā)，地源熱泵作為一種新的空調(diào)設(shè)計(jì)模式，可以達(dá)到最好的暖通空調(diào)節(jié)能效果。不僅如此，科學(xué)使用地源熱泵可以促進(jìn)暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的節(jié)能效果全面提升。靈活設(shè)計(jì)暖通空調(diào)，充分發(fā)揮地源熱泵的作用，從而提高用戶的滿意度和舒適度?，F(xiàn)階段，在運(yùn)用地源熱泵技術(shù)時(shí)要注重發(fā)揮其功能，從而擴(kuò)大地源熱泵技術(shù)的覆蓋范圍，讓地源熱泵市場(chǎng)更加活躍。

3.1 地下水熱泵

地下水熱泵系統(tǒng)是利用地下水溫度的熱量對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行控制。在實(shí)際操作中，地下水熱泵系統(tǒng)可直接與熱泵機(jī)組相連，發(fā)揮系統(tǒng)的作用，通過水溫控制室溫。在設(shè)計(jì)時(shí)，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工正確，對(duì)后期應(yīng)用有重要作用，可以免去維護(hù)和修繕，從源頭上降低成本。采用地下水熱泵系統(tǒng)進(jìn)行暖通空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，必須注意及時(shí)對(duì)地下水回灌，防止出現(xiàn)地下水循環(huán)堵塞，給地下環(huán)境帶來嚴(yán)重?fù)p失。不僅如此，工作人員在施工時(shí)，要科學(xué)合理設(shè)置傳輸管道，以免因輸水管道空間密集而造成地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低[5]。

3.2 智能化設(shè)計(jì)

采用地源熱泵進(jìn)行暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的方式已被廣泛應(yīng)用，智能化設(shè)計(jì)可以對(duì)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生重要作用。智能化設(shè)計(jì)能夠控制暖通空調(diào)系統(tǒng)，換句話說，在室內(nèi)可以直接使用智能設(shè)備進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高暖通空調(diào)系統(tǒng)的作用，不僅如此，利用智能化設(shè)計(jì)還可以進(jìn)行地源熱泵的能量輸出工作。例如，室內(nèi)溫度達(dá)到適宜溫度時(shí)，制熱工作會(huì)自動(dòng)停止，當(dāng)溫度過低或過高時(shí)，智能化設(shè)計(jì)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，保障了居民的健康安全，也提高了資源的利用率。

3.3 地理管道和熱回收機(jī)組結(jié)合

氣候變化可以給暖通空調(diào)帶來設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，并且為居民在冬季提供熱水。地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)的原理就是通過在一年的氣候變化中，地源熱泵都可以達(dá)到較好的熱量平衡，如圖4所示，在夏季，可以利用熱回收熱泵機(jī)組將部分熱量通過地下管道釋放到巖土，熱水由回收機(jī)組加熱后進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ钏璧臒崴┙o區(qū)。冬季可從巖土中提取熱量，實(shí)現(xiàn)熱平衡，將夏季在巖土中儲(chǔ)存的熱量全部進(jìn)行制冷或僅利用20%的熱量，此操作可由管理員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制[6]。

圖4 地源熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)

3.4 地表水地源熱泵系統(tǒng)

地表水地源熱泵系統(tǒng)可以發(fā)揮供暖和制冷兩種作用，但不同的是，地表水地源熱泵系統(tǒng)是通過冷媒處理吸收熱量，再將熱量從氣體轉(zhuǎn)化為液體，然后釋放冷空氣實(shí)現(xiàn)制冷。供暖是液體由冷凝器蒸發(fā)，然后由設(shè)備再循環(huán)和處理，將熱量釋放到室內(nèi)。當(dāng)暖通空調(diào)執(zhí)行制冷工作時(shí)，地表水地源熱泵機(jī)組中的壓縮機(jī)對(duì)冷媒處理，進(jìn)行汽化和液化循環(huán)。具體操作為，地源熱泵的壓縮機(jī)開始對(duì)冷媒進(jìn)行工作時(shí)，機(jī)組中的水一直進(jìn)行汽化和液化轉(zhuǎn)化，此時(shí)，冷媒通過風(fēng)機(jī)面板吸收熱量，熱量再通過地源熱泵機(jī)組的水路傳遞給地表水，而室內(nèi)的熱量傳遞到地下，風(fēng)機(jī)面板對(duì)熱量進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)降溫。當(dāng)暖通空調(diào)執(zhí)行制熱工作時(shí)，采用換向閥改變冷媒的流向，地表水的熱量被地下水循環(huán)系統(tǒng)吸收，然后通過冷媒蒸發(fā)，轉(zhuǎn)移水循環(huán)中的熱量傳遞給冷媒，冷媒在循環(huán)過程中通過冷凝作用將熱量傳回風(fēng)機(jī)面板，將地下的熱量傳遞到室內(nèi)，提供源源不斷的熱風(fēng)，實(shí)現(xiàn)供暖[7]。

3.5 大地耦合熱泵

大地耦合熱泵的工作原理是轉(zhuǎn)化地表溫度，進(jìn)行冷熱配置。大地耦合熱泵具有很多超越傳統(tǒng)空調(diào)具有的特征。第一，大地耦合熱泵技術(shù)通過一定深度地表溫度的微小變化，在地表介質(zhì)中存儲(chǔ)熱能或冷能，然后結(jié)合太陽能集熱器，加快能源傳播速度和利用率。第二，采用大地耦合熱泵技術(shù)，可以降低對(duì)發(fā)電設(shè)備的使用頻次，進(jìn)而保護(hù)環(huán)境，減少能源消耗。第三，大地耦合熱泵可以在地表以下保持穩(wěn)定，持續(xù)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)，而且地下環(huán)境不會(huì)受溫度和環(huán)境影響，所以比地面更穩(wěn)定，減少工作人員對(duì)設(shè)備的維護(hù)和修理。

4 結(jié)語

總而言之，隨著社會(huì)的發(fā)展，建筑領(lǐng)域隨之加快前進(jìn)的步伐。在建筑設(shè)計(jì)過程中，暖通空調(diào)設(shè)計(jì)具有重要作用，能夠直接影響室內(nèi)工作和生活的舒適度。所以，建筑設(shè)計(jì)必須重點(diǎn)關(guān)注地源熱泵系統(tǒng)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用，可以節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境，提高資源利用率，而且保證暖通空調(diào)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，保障人們的日常工作生活，促進(jìn)我國(guó)建筑業(yè)的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展。