地源热泵技术在暖通空调节能中的运用分析

张春雨

山东省东营市供热管理处，山东东营 257091

地源热泵技术利用土壤或地下水的蓄热性能形成热泵系统，在夏天需要制冷的情况下，将埋地换热器作为冷凝器向地下蓄热；在冬天需要制热的情况下，将埋地换热器转作蒸发器从地下获取热量。充分利用土壤和地下水的低位地热资源，又将夏天的热量转存至地下，以便在冬季进行利用，在实现节能环保目标的同时，获取了可观的经济效益，因此，必须重视地源热泵技术在暖通空调系统中的应用。

1 地源热泵技术概述

1.1 工作原理

在应用地源热泵技术的暖通空调系统中，将空调系统的热交换器放置于地下，介质在强度高、密封性好的环路中持续流动，从而实现系统与土壤间的热量交换。夏季，地源热泵机组将从建筑中吸收的热能转移到地下，实现建筑降温；冬季，地源热泵将土壤中的热量转移到建筑当中，提高建筑环境温度的同时将其内部冷量转移到土壤当中。由于自然环境中的热量一般都是从高温向低温转移，而通过使用热泵能够将热量从低温输送到高温，本质上就是一类热量提升装置。通过对环境中已有的热量进行充分利用，提升温位后扩大其利用率，加之地源热泵系统自身的能耗有限，同时可以利用外部电能来补充压缩机所消耗的功，促进系统中的循环介质能够从低温持续吸收热量，然后向高温区域进行供热，确保系统能够持续循环而不间断。地源热泵与制冷系统的原理、设备几乎相同，但相较于传统压缩制冷，地源热泵制冷不需要庞大的冷凝设备[1]。

1.2 地源热泵技术的优点

1.2.1 灵活安全

暖通空调系统中使用地源热泵技术，能够充分替换传统的供热锅炉、热水供应、制冷空调等装置和系统。相关机组可以灵活安装在任何区域，节约使用空间的同时，地源热泵不需要进行能源储备，减少了很多安全隐患问题。因此，地源热泵技术适用于严寒和热带地区的各类暖通空调系统。

1.2.2 成本较低

应用地源热泵技术的暖通空调系统，其运行成本低、高效节能、维修量少、使用寿命长，整个系统的折旧费、维修费等都远低于传统空调系统。同时可以实现较高的自动化，不需要专业人员进行操作。并且整体的供暖制冷费用只相当于普通，系统的30%～70%之间[2]。

1.2.3 高效环保

地源热泵利用地表浅层地热资源进行能量转换，不受地域、资源等限制，量大面广、无处不在，而应用地源热泵技术的暖通空调系统始终处于高效率点位。相较于传统的电锅炉加热和燃料锅炉，可节省大量的能源，运行费用也较低。加之地源热泵空调系统，冬季供暖期间不需要使用锅炉，不会产生燃烧排放物，能够有效减少温室气体的产生，在保护环境的同时可以实现温度的调整。

1.2.4 管理便利

地源热泵系统不需要冷却塔等其他室外设备，可以减少锅炉冷却系统附属的能源堆放区域，能够有效节约空间，改善外部环境，提升系统的经济附加值。由于热泵机组系统稳定性好，不需要各类大型集中性基础，更不需要专人持续进行现场值守，有效减少维护工作量、节约成本，能够实现机组独立计费，为使用单位提供良好的管理基础。

1.3 地源热泵的分类

1.3.1 土壤源热泵

这种热泵系统主要是利用地下岩层中的热量进行闭路循环，形成的系统体系。将热泵的换热器置于地下，与大地进行热量交换，通过循环液，在密闭的地下埋管中流动，从而实现系统与大地之间的热传导。冬季系统从地下收集热量，将其带入室内，夏季，系统逆向运行，从室内带走热量，将其转入地下岩层[3]。

1.3.2 地下水源热泵

地下水源热泵系统能是从水井或矿井中抽取地下水，常用的系统是采用一侧连接地下水，另一侧连接热泵机组的方式形成。早期的单层系统的缺点是既浪费水资源，又会造成地层塌陷，容易引发地质灾害。当前使用双井系统，一个抽水，一个回灌，系统整体造价相较于土壤源热泵较低，占地面积较小，技术较为成熟，但是可供使用的地下水总量有限，水处理要求较为严格，抽取的地下水回灌，不能受到污染。

1.3.3 地表水源热泵

地表水源热泵系统将池塘、湖泊、河流中的地表水作为热源。一般分为闭路和开路两种系统，在寒冷区域开路系统不适用，只能采用闭路系统。地表水源热泵系统造价低廉、能耗低、维修便利、运行费用低，但容易受到外部环境的影响。在公用的水系统当中，设备容易受到损害，还存在效率不稳定的情况。

2 地源热泵技术在暖通空调系统节能中的具体应用

2.1 针对地源热泵系统形式的选择

地源热泵系统中一般不采用闭式环路形式，主要是由于该种形式的地源热泵系统虽然免除了冷却塔的功耗，但是系统中的冷却介质、土壤、水体三者之间存在传热温差，而且机组冷却水温虽然低于冷却塔出水温度，整体的能效高于使用冷却塔的冷水机组，但是系统中的地下、水中埋管投资较大，空调年运行周期较短，投资回收周期较长。对于地源侧的水通过热交换器从土壤中进行热量吸收较为容易，反之向土壤中放热难度较高，存在暖通空调系统运营期间由于机组的高压保护起作用而自动停机的情况。这种情况下可以选择高能效比的常规冷水机组，通过系统中的冷却塔向外部进行热量排放。而在这种情况下，闭式环路的地源热泵系统更适用于有冷、热负荷需求的系统类型，对于开式环路形式的地源热泵系统能够更好的适应于单冷或冷暖空调系统[4]。

2.2 可以通过外部措施提升系统换热能力

若暖通空调系统缺少足够的空间容纳地下换热器，为了更好地满足室内冬季热负荷需求，需要设置辅助热源提升暖通空调系统的能力，在夏季需要使用冷却塔，增加了暖通空调系统的复杂性，而且针对此类状况，需要考虑系统整体的经济性、技术性等条件来保证地源热泵系统选择合理。若地下换热器的效能可以满足冬季室内热负荷但不能满足夏季室内冷负荷需求，只需要在系统中增加冷却塔；若系统中的冷、热负荷相差较大，可以使用地下埋管加冷却塔的方式进行处理，满足系统需求的同时还能降低工程造价。在这种方式当中不需要锅炉，整个系统的操作较为便利，工程造价会显著降低。

2.3 高层建筑体系需要综合考虑多方条件

高层建筑的暖通空调系统中运用地源热泵技术时，需要考虑建筑内部空调系统的控制，是否属于分层分区控制。若地源侧垂直埋管时就需要考虑埋管耐压，其垂直埋深要进行合理控制；同时要注意建筑高度，避免由于建筑高度造成的系统静压超出系统管线的额定压力。综合多种因素进行考虑，与地下水静压抵压作用后，系统中的垂直埋管能够适应更高的建筑。对于高度较大的建筑，可以通过在地源侧使用板式换热器的方式进行高低压分区，类似于中央空调在高层建筑中对冷媒水系统的高低压分区，或者在一定区域当中不进行分区管控，通过在低层设置的水地源热泵机组，由系统末端设备向高层区域集中提供冷（热）媒介质。

2.4 确保空调机组与地源热泵系统类型能够相互适应

部分空调机组只适用于水环热泵空调系统，另外部分空调机组只适用于开环式地源热泵空调系统。当前市场中的各类机组名称不统一，容易出现概念混乱的情况。相关施工单位或建设方在进行设备机组选择的时候，要充分了解自身的节能需求和设备要求，综合现场安装环境选择空调机组，确保其与地源热泵系统类型能够相互适应[5]。

2.5 空调机组能效和性能需要重点关注

建设单位、设计单位进行机组选择的时候，要针对所选择的产品的能效比、性能等参数进行比较、评价，针对同一厂家、同一系列、不同规格的空调机组，在工况不同的情况下，其能效比和性能系数都会存在较大差异，并且厂家标注的能效比和性能系数，可能是在不同工况下测定而来的，造成空调机组实际运营的情况下能效比和性能系数会相对给出的参数出现较大波动或变化。

3 结语

运用地源热泵技术的暖通空调系统，能够更好地满足人们的节能需求和功能稳定性要求。而随着人们环保意识和节能意识的不断加强，在各个领域寻找清洁可再生能源，正成为整个社会的研究热点。地源热泵技术作为新型的可再生能源，具有良好的清洁性、环保性，整体的节能减排效果较为显著。因此应用地源热泵技术的暖通空调系统，其发展前景较为广阔。

[1] 张成方.暖通空调设计标准中地源热泵的应用分析[J].中国标准化，2017（22）：140-141.

[2] 王术静.地源热泵技术在暖通空调中的应用[J].住宅与房地产，2017（32）：206.

[3] 何胜林.地源热泵技术在暖通空调节能中应用探讨[J].科技经济导刊，2017（16）：101.

[4] 王海.地源热泵技术在矿用集中式暖通空调节能中的应用[J].世界有色金属，2016（19）：161，163.

[5] 谢林丽.刍议地源热泵在暖通空调设计中的应用[J].江西建材，2015（5）：16.