地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)節(jié)能中的優(yōu)化應(yīng)用分析

何風林

摘 要：近些年來，隨著我國科技的不斷發(fā)展，人們的生活水平得到了明顯的提高，越來越多的高科技應(yīng)用到了人們的生活當中。文章所要研究的就是地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)當中的應(yīng)用，同時對地源熱泵技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展進行詳細的介紹，對地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)的應(yīng)用中的內(nèi)容進行介紹，目的是減少暖通空調(diào)使用過程當中能源的損耗，提高暖通空調(diào)的節(jié)能性能，對我國環(huán)境的保護工作帶來貢獻。

關(guān)鍵詞：地源熱泵技術(shù)；暖通空調(diào)；地熱

引言：

空調(diào)的出現(xiàn)給人們的生活帶來了便利，為人們創(chuàng)造了一個更舒適的生活環(huán)境。然而，在運行過程中，空調(diào)會消耗大量的能量。有數(shù)據(jù)表明空調(diào)是造成夏季或冬季的能源短缺主要因素。因此，空調(diào)提供了方便，同時也給社會帶來了一些能源負擔和環(huán)境污染負擔。為了幫助空調(diào)改善其存在的缺陷，使空調(diào)的制冷和制熱更加的節(jié)能、高效，空調(diào)制造企業(yè)可以采用地源熱泵技術(shù)滿足其要求。

1地源熱泵技術(shù)與原理

地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源，即在冬季，把地能中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地下去。通常地源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。與鍋爐（電、燃料）供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70～90%的燃料內(nèi)能為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省約二分之一的能量；由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10～15℃，其制冷、制熱系數(shù)可達3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調(diào)的50～60%。因此，近十幾年來，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在北美如美國、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國家取得了較快的發(fā)展，中國的地源熱泵市場也日趨活躍，可以預(yù)計，該項技術(shù)將會成為21世紀最有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)。

地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)主要分三部分：室外地能換熱系統(tǒng)、水源熱泵機組和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)。其中水源熱泵機主要有兩種形式：水—水式或水—空氣式。三個系統(tǒng)之間靠水或空氣換熱介質(zhì)進行熱量的傳遞，水源熱泵與地能之間換熱介質(zhì)為水，與建筑物采暖空調(diào)末端換熱介質(zhì)可以是水或空氣。

2地源分類

地源按照室外換熱方式不同可分為三類：1.土壤埋盤管系統(tǒng)，2.地下水系統(tǒng)，3.地表水系統(tǒng)。由于我國水資源分布不均，尤其是華北地區(qū)嚴重缺水，已經(jīng)形成數(shù)個地下水漏斗，所以華北地區(qū)已經(jīng)出臺政策：嚴控地下水方式制冷、采暖。而地表水形式的地源熱泵，建筑物臨近必須有一定規(guī)模的地表水源，因此，應(yīng)用受到現(xiàn)實的限制，難于大范圍推廣。因此，地源熱泵的重點推廣形式：土壤埋盤管系統(tǒng)。也是本文介紹的主要內(nèi)容。

根據(jù)循環(huán)水是否為密閉系統(tǒng)，地源又可分為閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)如埋盤管方式（垂直埋管或 水平埋管），地表水安置換熱器方式。開環(huán)系統(tǒng)如抽取地下水或地表水方式。

3地源熱泵的特點

3.1地源熱泵的優(yōu)點

3.1.1屬可再生能源利用技術(shù)

地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源（通常小于400米深）作為冷熱源，進行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地熱資源可以稱之為地能（Earth Energy），是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低溫位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能量，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。

3.1.2屬經(jīng)濟有效的節(jié)能技術(shù)

地能或地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運行效率要高40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運行費用40%左右。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。據(jù)美國環(huán)保署EPA估計，設(shè)計安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶30～40%的供熱制冷空調(diào)的運行費用。

3.1.3環(huán)境效益顯著

地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少40%以上，與電供暖相比，相當于減少70%以上，如果結(jié)合其它節(jié)能措施節(jié)能減排會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調(diào)裝置減少25%的充灌量；屬自含式系統(tǒng)，即該裝置能在工廠車間內(nèi)事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機率大為減少。該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。

3.1.4一機多用，應(yīng)用范圍廣

地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)：可以同時給人們提供制冷（或采暖）和生活熱水。

3.2地源熱泵的缺點

3.2.1初投資相對較高

土壤埋盤管系統(tǒng)的地源熱泵，相對于地下水式和地表水式水源熱泵系統(tǒng)，換熱效率較低，因此需要打較多地下?lián)Q熱井，初投資較多。

3.2.2占地面積較大

由于需要大量的地下?lián)Q熱井，且換熱井之間需要有一定的距離（約4米）要求，所以地下?lián)Q熱場面積較大。需要在項目立項、設(shè)計階段就考慮采用地源熱泵系統(tǒng)。城市中的改造項目應(yīng)用比較困難。

4地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)當中的應(yīng)用

地源熱泵的應(yīng)用方式從應(yīng)用的建筑物對象可分為家用和商用兩大類，從輸送冷熱量方式可分為集中系統(tǒng)、分散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。

4.1家用系統(tǒng)

用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風管輸送系統(tǒng)進行冷熱供應(yīng)，多用于小型住宅，別墅等戶式空調(diào)。

4.2集中系統(tǒng)

熱泵布置在機房內(nèi)，冷熱量集中通過風道或水路分配系統(tǒng)送到各房間。

4.3分散系統(tǒng)

用戶單獨使用自己的熱泵機組調(diào)節(jié)空氣。一 般用于辦公樓、學(xué)校、商用建筑等，此系統(tǒng)可將用戶使用的冷熱量完全反應(yīng)在用電上，便于計量，適用于目前的獨立熱計量要求。

4.4混合系統(tǒng)：

將地源和冷卻塔或加熱鍋爐聯(lián)合使用作為冷熱源的系統(tǒng)，混合系統(tǒng)與分散系統(tǒng)非常類似，只是冷熱源系統(tǒng)增加了冷卻塔或鍋爐。

南方地區(qū)，冷負荷大，熱負荷低，夏季適合聯(lián)合使用地源和冷卻塔，冬季只使用地源。北方地區(qū)，熱負荷大，冷負荷低，冬季適合聯(lián)合使用地源和鍋爐，夏季只使用地源。這樣可減少地源的容量和尺寸，節(jié)省投資。分散系統(tǒng)或混合系統(tǒng)實質(zhì)上是一種水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)形式。

4.5水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)

水環(huán)路熱泵（Water-Loop Heat Pump，簡稱WLHP）空調(diào)系統(tǒng)，它由許多臺水源熱泵空調(diào)機（WSHP）組成。這些機組由一個閉式的循環(huán)水管路連在一起，該水管路既作空調(diào)工況下的冷源，又作供暖工況下熱泵熱源。水環(huán)路的冷熱源可以是地源，或鍋爐、冷卻塔聯(lián)合方式。

夏季運行：全部或大多數(shù)機組為供冷，熱量水環(huán)路排至室外的冷源，如地源或冷卻塔。

春季/秋季運行：對有內(nèi)區(qū)與周邊區(qū)的建筑物，會出現(xiàn)內(nèi)區(qū)需要供冷而周邊區(qū)需要供熱，內(nèi)區(qū)的熱量就可被周邊區(qū)所利用，即內(nèi)區(qū)空調(diào)的排熱與周邊區(qū)熱泵供熱所需熱量接近平衡時，室外的冷熱源可以停運。這種制冷供熱同時進行，能量在建筑物內(nèi)部轉(zhuǎn)移，運行費用最少，節(jié)能效果明顯。

冬季運行：全部或大多數(shù)機組為供熱，供熱源（地源或加熱源）把熱量補充到水環(huán)路。

水環(huán)路熱泵空調(diào)系統(tǒng)除具有顯著節(jié)能特點外，還具有以下特點：

節(jié)省占地：不設(shè)大的冷凍機房，沒有冷卻塔系統(tǒng)。

能源費用單獨計量：由各部門、住戶或單位獨立承擔，能源費用計量簡單且公平，符合當前的能源費用獨立計量方法。

調(diào)節(jié)靈活：每臺熱泵空調(diào)機在任何時間可以選擇供冷或供熱。

靈活應(yīng)用：能靈活充份地滿足建筑物各個區(qū)的需要，并隨時可以更改用途。

結(jié)束語：

通過文章的介紹，可以更加清晰的了解到地源熱泵技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀，地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用可以有效的減少能源的損耗，對環(huán)境的保護帶來保障。在暖通空調(diào)方面，應(yīng)用地源熱泵技術(shù)也是十分必要的，面對其中存在的不足，要積極尋找對策來進行解決，這樣才能使地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)當中的應(yīng)用價值更高，對能源的節(jié)約帶來更好的保障。

參考文獻

[1]文長.探究暖通空調(diào)節(jié)能中地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用[J].建材與裝飾，2017（27）：191-192.

[2]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.

[3]馮曉梅，張昕宇，鄒瑜，鄭瑞澄.太陽能與地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的優(yōu)化配置與運行方式[J].暖通空調(diào)，2011，41（12）：79-83.

（作者單位：瑞冬集團股份有限公司）