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

【摘 要】新能源熱泵技術(shù)屬于一種新型節(jié)能型環(huán)保技術(shù)，熱泵技術(shù)主要是通過將熱量及冷量的轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)供熱取暖及制冷的效果，為人們提供環(huán)保式的溫度享受，相對(duì)于以往所用的供熱技術(shù)更具有環(huán)保優(yōu)勢(shì)及質(zhì)量更佳、效率更高。因此，熱泵技術(shù)應(yīng)用在暖通空調(diào)中的范圍越來越廣，受到廣大居民的喜愛及推崇。

【關(guān)鍵詞】地源熱泵技術(shù)；暖通空調(diào)；節(jié)能；應(yīng)用

1分析地源熱泵的概念及特點(diǎn)

所謂地源熱泵技術(shù)是指通過少量高品位能源（電能等）將陸地淺層低品位能源轉(zhuǎn)化為高品位能源的技術(shù)。地源熱泵分為土壤源熱泵、地下水熱泵、地表水熱泵等三類，屬于清潔能源的一種。該技術(shù)運(yùn)用于暖通空調(diào)當(dāng)中主要分為熱泵機(jī)組、室外地能換熱系統(tǒng)以及室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)三個(gè)部分，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)冷熱交替的功能。與此同時(shí)，暖通空調(diào)中運(yùn)用地源熱泵技術(shù)不但能夠提高工作效率，還能節(jié)約大部分能源，減少溫室氣體的排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果，進(jìn)一步提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，響應(yīng)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展策略。特點(diǎn)為：第一，利用可再生能源。對(duì)地?zé)豳Y源的利用其實(shí)主要就是依賴可再生能源來實(shí)現(xiàn)降溫供暖的功能；第二，具有環(huán)保節(jié)能優(yōu)勢(shì)。由于地源熱泵技術(shù)主要利用的能源是可再生能源，因而地源熱泵技術(shù)與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比，能源使用更為長(zhǎng)效，對(duì)環(huán)境無污染，較為環(huán)保、節(jié)能；第三，維護(hù)成本低。地源熱泵部件主要布置在地下或是室內(nèi)，且內(nèi)部的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件比較少，因而其耐久性較強(qiáng)，而且其機(jī)組支持無人值守、自動(dòng)化水平高、結(jié)構(gòu)較為緊湊、平均壽命高，屬于無需維護(hù)的新型空調(diào)系統(tǒng)，因而其維護(hù)成本較低。

2暖通空調(diào)中地源熱泵的應(yīng)用分析

2.1地源熱泵暖通空調(diào)主要形式

地表水源、地下水源、土壤源是地源熱泵的三個(gè)主要熱量來源。

（1）地表水源是利用地表水作為供熱來源，實(shí)現(xiàn)供熱。地表水源有兩種循環(huán)模式：開式循環(huán)和閉式循環(huán)。開式循環(huán)是指直接將江河湖海等地表水抽取進(jìn)行熱交換，而閉式循環(huán)則需使用水盤管。

（2）地下水源。地下水源是利用地下水作為供熱來源，實(shí)現(xiàn)供熱。其工作原理是利用熱泵機(jī)組以及換熱器將抽取的地下水釋放或提取熱量后，重新送回地下，實(shí)現(xiàn)熱能的循環(huán)利用。值得注意的是，由于地下水是地球上重要的水資源，抽取時(shí)需要較高的技術(shù)，因此在進(jìn)行地下水熱泵時(shí)，不但要征得當(dāng)?shù)卣耐猓€必須制定完善的回灌方案。

（3）土壤源。土壤源是利用土壤熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供熱。其工作原理是，選取水作為傳熱媒介，實(shí)現(xiàn)熱泵機(jī)組與土壤內(nèi)部換熱管道的循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)熱能交換。

2.2空調(diào)方案

（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)：

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）熱回收衛(wèi)生水系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)熱回收技術(shù)不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)廢熱的充分利用，還能夠?qū)照{(diào)產(chǎn)生的熱污染情況進(jìn)行改善，與鍋爐加熱相比其總功耗較小，具有顯著的節(jié)能效果。將熱回收技術(shù)應(yīng)用到地源熱泵暖通空調(diào)系統(tǒng)中可以使地?zé)岵黄胶猬F(xiàn)象得到緩解，對(duì)地?zé)釗p失進(jìn)行彌補(bǔ)，而且通過將廢熱傳遞給地下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地?zé)徇M(jìn)行補(bǔ)償作用，此外，還可以將回收到的熱量用于冷水預(yù)熱。

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。

（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：

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。

（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?？刂撇呗?。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

總而言之，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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作者簡(jiǎn)介：

田向偉（1988.1-），男，山東煙臺(tái)人，西南科技大學(xué)供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)及空調(diào)工程碩士，設(shè)計(jì)師，單位：煙臺(tái)市建筑設(shè)計(jì)研究股份有限公司，研究方向：建筑節(jié)能，室內(nèi)環(huán)境控制。

（作者單位：煙臺(tái)市建筑設(shè)計(jì)研究股份有限公司）