暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中地源熱泵的應(yīng)用

馬杰

（容海川城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山西太原 030003）

我國(guó)城市化發(fā)展的過(guò)程中，建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)尤為關(guān)鍵，但是在運(yùn)行的過(guò)程中需要豐富的能源支持，暖通空調(diào)設(shè)計(jì)也成為工程設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容。建筑單位需采取有效措施充分保證室內(nèi)溫度環(huán)境的舒適性和適宜性。由于地源熱泵的穩(wěn)定性和安全性優(yōu)勢(shì)明顯，在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中也得到廣泛應(yīng)用。

1 地源熱泵系統(tǒng)概述

地源熱泵系統(tǒng)將巖土體、地下水和地表水作為低溫?zé)嵩?，供熱空調(diào)系統(tǒng)主要由水源熱泵機(jī)組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成，結(jié)合地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)的主要形式，通常可分為三種系統(tǒng)：①地埋管熱泵系統(tǒng)；②地上水地源熱泵系統(tǒng)；③地表水地緣熱泵系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 地源熱泵系統(tǒng)

2 地源熱泵的特點(diǎn)

地源熱泵具有十分鮮明的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。地源熱泵的經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)、能效較高，而且不易產(chǎn)生環(huán)境污染，運(yùn)行過(guò)程中不易出現(xiàn)安全隱患。上述優(yōu)勢(shì)也是地源熱泵在暖通空調(diào)系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用的主要原因，如圖2 所示。

2.1 經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)明顯

圖2 地源熱泵的特點(diǎn)

地緣熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中需保證空調(diào)的平穩(wěn)運(yùn)行，與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，地源熱泵系統(tǒng)的供熱和制冷系統(tǒng)運(yùn)行中，消耗的費(fèi)用可減少30%～50%，而且地源熱泵主要從大地?cái)z取能量，無(wú)須過(guò)度依賴電能，且能耗較小，具有十分鮮明的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[1]。

2.2 能效高

地源熱泵系統(tǒng)的能耗較低，但是制冷和供熱效果較好，在熱泵運(yùn)行的過(guò)程中，合理利用大地儲(chǔ)存的熱能，可全方位滿足冬夏兩季的能量需求。地源熱泵系統(tǒng)中的冷卻系統(tǒng)中的冷卻溫度，通常低于普通空調(diào)的冷卻溫度，與傳統(tǒng)的冷卻塔式系統(tǒng)和風(fēng)冷系統(tǒng)相比，該類系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更為明顯。供熱時(shí)，溫度應(yīng)略高于常規(guī)條件下的溫度，這樣在冬季低溫時(shí)段也可保持室內(nèi)環(huán)境的舒適性。

2.3 清潔性強(qiáng)

應(yīng)用地源熱泵時(shí)，地源熱泵的熱量源于大地，無(wú)須燃料燃燒即可提供熱量，可以顯著減輕對(duì)周邊的環(huán)境污染。另外，地源熱泵系統(tǒng)配置更為合理，同時(shí)也有效擺脫了傳統(tǒng)空調(diào)冷卻塔裝置及外掛機(jī)設(shè)備等多個(gè)裝置，對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生的不利影響。

2.4 安全有保障

地源熱泵系統(tǒng)管理與控制中，需要計(jì)算機(jī)的大力支持，在不同工況下，地源熱泵的運(yùn)行效率更高，運(yùn)行過(guò)程更安全可靠。在先進(jìn)技術(shù)的推動(dòng)下，可有效增強(qiáng)遠(yuǎn)程控制效果[2]。地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中基本不受環(huán)境因素的影響，相較于普通空調(diào)系統(tǒng)，該類系統(tǒng)的穩(wěn)定性更強(qiáng)，上述優(yōu)勢(shì)也充分保障了地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

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

3.1 地埋管道+熱泵機(jī)組在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，地埋管道+熱泵機(jī)組的方式尤為常見，這也是現(xiàn)階段最簡(jiǎn)單便捷的組合方式。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合地理埋管的具體位置采用不同長(zhǎng)度的管線，依據(jù)單位長(zhǎng)度熱量及冷卻負(fù)荷，明確鉆孔開槽的間距。科學(xué)計(jì)算豎直埋管長(zhǎng)度的換熱量及最大取熱負(fù)荷，以此明確開槽所占的面積。做好上述工作后，便可以計(jì)算結(jié)果為依據(jù)科學(xué)選擇熱泵機(jī)房中的熱泵機(jī)組規(guī)格型號(hào)、數(shù)量、配套的各類裝置等[3]。做好前期準(zhǔn)備工作后，可采取有效措施不斷優(yōu)化和完善熱泵機(jī)房的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際確定機(jī)房的面積和機(jī)房?jī)?nèi)電源開關(guān)的位置。隨后，依據(jù)規(guī)范要求做好安裝圖紙及布線圖紙的設(shè)計(jì)工作，全方位滿足工程建設(shè)的總體要求。

3.2 地埋管道+熱回收機(jī)組在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

如日常運(yùn)行中排熱量系數(shù)高于一個(gè)單位，則需要在設(shè)計(jì)的過(guò)程中采用地埋管道+熱回收機(jī)組組合。我國(guó)北方氣候的季節(jié)性差異較為明顯，冬季溫度較低，此時(shí)對(duì)熱量也提出較高的需求。夏季地表溫度較高，在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中需要合理利用不同季節(jié)氣候的特點(diǎn)合理優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，一方面滿足冬季人們對(duì)熱水的需求，另一方面有效減少資源消耗[4]。夏季時(shí)，可充分利用熱回收式熱泵機(jī)組，基于地埋管向巖土釋放部分熱量，同時(shí)經(jīng)熱回收機(jī)組加熱熱水后，熱水可直接應(yīng)用于居民的日常生活，全面滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枨蟆６緯r(shí)可向巖土取熱，維持土壤熱量平衡。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，夏季時(shí)巖土回收建筑物中的熱量，并以此為制冷源，在制冷的過(guò)程中僅需消耗總熱量的20%左右，節(jié)能效果十分明顯，并且操作人員可對(duì)該過(guò)程自由把控。

3.3 地埋管與熱泵機(jī)+冷卻塔在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在南方地區(qū)，建筑負(fù)荷一般具有夏季冷負(fù)荷大于冬季熱負(fù)荷的特點(diǎn)。夏季對(duì)室溫提出了較高的要求，且冬季也有很多需要嚴(yán)格控制溫度的場(chǎng)景，這種系統(tǒng)可將夏季收集到的多余熱量直接輸至冷卻塔，在冷卻塔的作用下達(dá)到降溫的目的。該系統(tǒng)地埋管與冷卻塔有串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式，主要目的都是解決由于建筑物冬季熱負(fù)荷和夏季冷負(fù)荷差距過(guò)大，出于經(jīng)濟(jì)性和合理性的考慮，地埋管所能承擔(dān)的負(fù)荷為夏季部分負(fù)荷或冬季全部熱負(fù)荷，也就是說(shuō)系統(tǒng)在夏季運(yùn)行時(shí)，地埋管容量不夠的問(wèn)題。同時(shí)，該系統(tǒng)也可解決土壤熱平衡的問(wèn)題，減少外部因素的影響。

北方地區(qū)秋季后的風(fēng)力較大，在儲(chǔ)存風(fēng)力資源的過(guò)程中，也可為冷卻系統(tǒng)提供充足的動(dòng)力，可將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能?；谀芰渴睾愣桑L(fēng)能可持續(xù)做功，也可連續(xù)供給能量，故而這一過(guò)程也發(fā)揮著十分重要的作用。該組合形式在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中也受到了人們的廣泛關(guān)注。諸多大型廠商均采用地埋管與熱泵機(jī)+冷卻塔的組合方式。在日后的建設(shè)和發(fā)展中，需要采取有效措施積極拓寬市場(chǎng)，全方位滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求。

4 地源熱泵應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)題

4.1 設(shè)計(jì)中始終堅(jiān)持因地制宜的原則

在暖通空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用地源熱泵具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，但是在地源熱泵應(yīng)用中，也會(huì)受客觀因素的制約。在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中應(yīng)用地源熱泵時(shí)，必須始終堅(jiān)持因地制宜的原則。夏季若大地存儲(chǔ)能量存在明顯的不足，無(wú)法全方位順應(yīng)建筑物冬季的供暖要求，對(duì)此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，就應(yīng)結(jié)合實(shí)際增設(shè)制熱裝置，維持熱能的供應(yīng)。如大地冬季存儲(chǔ)的能量不能全方位滿足夏季的制冷要求，則可根據(jù)實(shí)際在系統(tǒng)中增設(shè)制冷系統(tǒng)，順應(yīng)居民對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行要求[5]。

4.2 合理選擇機(jī)組

現(xiàn)階段，市場(chǎng)上出現(xiàn)了多種新型機(jī)組，但管控工作并未跟上市場(chǎng)發(fā)展的腳步，無(wú)法滿足管理的要求。在地源熱泵運(yùn)行的過(guò)程中，需要嚴(yán)格把控能效比和性能系數(shù)。此外，不同生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)和制造的機(jī)組在能效比和機(jī)組性能方面均存在明顯的差異。對(duì)此，工作人員在前期設(shè)計(jì)中需要依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，選擇最佳的工作參數(shù)。

4.3 加大控制系統(tǒng)的管控力度

統(tǒng)計(jì)顯示，地源熱泵控制系統(tǒng)主要分為三大類：①熱泵機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)；②水池控制系統(tǒng)；③井群控制系統(tǒng)。熱泵機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，可借助自動(dòng)化裝置完成制冷和制熱工作，而且系統(tǒng)運(yùn)行中無(wú)須工作人員操作和控制系統(tǒng)。水池控制系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，要求人員依據(jù)水位數(shù)值做好各項(xiàng)工作，待相關(guān)參數(shù)滿足規(guī)定要求后，方可規(guī)劃、組織、開展下一步的工作內(nèi)容。井群控制系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，需采取分組管理模式，有效監(jiān)督和管理其他控制系統(tǒng)，充分展現(xiàn)系統(tǒng)的作用和價(jià)值，進(jìn)而全方位改機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文的分析可以獲知，當(dāng)前，暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的質(zhì)量對(duì)室內(nèi)環(huán)境的舒適度產(chǎn)生了十分顯著的影響。當(dāng)前，社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，暖通空調(diào)系統(tǒng)在建筑工程中也得以廣泛應(yīng)用，空調(diào)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡闹匾O(shè)備，能夠?yàn)槿罕姞I(yíng)造更加舒適的生活環(huán)境，將地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用在建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)當(dāng)中，能夠切實(shí)改善系統(tǒng)的功能，有效減少系統(tǒng)運(yùn)行中的能源消耗，符合環(huán)保型城市建設(shè)要求。