地源热泵技术在暖通空调节能中的应用

白彬

摘 要：在能源危机持续加剧及环境不断恶化的今天，我国能源发展的主题已经转变为节能、环保。为减缓能源消耗速度，开发及利用可再生能源显得尤为重要。作为一种利用可再生能源的空调采暖系统，地源热泵系统目前在各类建筑物内得到了广泛应用。相比传统供热空调系统，地源热源系统的优点为高效、节能、环保、无污染、且占地面积小等。但在实际应用过程中，往往会存在大量问题，如热堆积现象等，为解决此类问题，冷却塔复合式地源热泵系统得以利用，该系统的应用更具经济性，且效果更佳。为此，本文在充分了解冷却塔复合式地源热泵系统原理的基础上，对暖通空调节能中冷却塔复合式地源热泵系统的应用进行了分析与探究。

关键词：地源热泵技术；暖通空调；冷却塔复合式地源热泵系统

中图分类号：TE08 文献标志码：A

伴随我国国民经济的快速增长，节能减排已经成为建筑业发展的重要问题。在暖通空调节能方面，地源热泵系统因其良好的环保、节能特性得到了大力推广。但在系统具体运作过程中，相比冬季由土壤内吸收热量，夏季排放到土壤内热量过大的情况下，极易出现热堆积效应，进而增加土壤温度，导致地源热泵系统换热温差与稳定数值之间产生偏差，因土壤温度持续增加，将严重影响机组及制冷效率，为此，如何解决热堆积问题，对地源热泵系统运行正常影响巨大。冷却塔复合式地源热泵系统的应用，能够有效结合使用地源热泵、冷却塔两种系统形式，此方式可對地源热泵系统运行缺陷进行有效改善，同时，还能有效控制地埋管用量，降低占地面积，对地埋管全面放热量、吸热量进行充分平整。为此，冷却塔复合式地源热泵系统在暖通空调节能中得到了广泛应用。

1 冷却塔复合式地源热泵系统原理

作为一种高效、经济，且节能环保的技术，地源热泵系统在暖通空调节能方面得到了广泛应用。但在地源热泵系统实际使用中，因地埋管散热、吸热量差异等因素，导致土壤热平衡问题愈加凸显。一般情况下，地源热泵系统要求必须满足全年工况要求，如我国南方区域，建筑热负荷明显在冷负荷以上，因此，地埋管散热器内夏天向土壤内排放的热量要远远大于冬天由土壤内获取的热量，则北方区域反之。虽然土壤存有相应的自我恢复能力，但在长期运转过程中，仍会导致土壤温度升高或下降，进而影响地埋管换热器的换热功能，影响地源热泵节能效果的发挥，更严重地会增大能耗。复合式地源热泵系统是指将地源热泵系统结合其他形式加热或散热系统使用的系统形式，该方式的应用，可对地源热泵系统的运行性能进行有效改善，是地埋管数量、占地面积减少的重要方式。目前以系统数量划分，可将冷却塔复合式地源热泵系统分为两种形式，即双系统、单系统。双系统形式的主要组成部分为冷水机组、地源热泵机组，冷水机组散热主要由冷却塔负责，热泵机组散热、吸热则由地埋管负责。单系统形式的主要构成部分为散热系统、地埋管系统。根据冷却塔与地埋管连接方式的不同，可将冷却塔复合式地源热泵系统分为两种，即串联、并联式。如图1所示。

以上两种形式各具特点，如串联式的特点为具有较为简单的结构、稳定的系统，且易于控制；并联式不存在冷却塔系统、地埋管系统互相干扰现象，在热泵机组运行内可单独用作冷源，可实现以上两个系统一起运行。在具体工程应用中，应根据实际情况，合理选择串联或并联形式。

2 工程概况

某建筑工程分为3个区域，即I、II、III区，7652m2为其建筑总面积，其中办公用房分别位于I、II区，楼层都为6层。基于经济性原理，为达到建筑制冷、采暖要求，决定选用竖直埋管的冷却塔复合式地源热泵空调系统。表1、表2分别为室内、室外设计参数。根据相关数据分析，以690kW为夏季空调的冷负荷值；570kW为冬季空调热负荷值。

根据公式（1）、公式（2）可分别计算地埋管换热器负荷中夏季排热量及冬季吸热量，具体如下：

夏季排热量Q排=Q0×（1+1/EER） （1）

夏季排热量Q吸=Q1×（1-1/COP） （2）

其中，空调设计冷负荷可由Q0表示；

空调设计热负荷可由Q1表示。

热泵机组制冷性能系数可由EER表示。

热泵机组制热性能系统可由COP表示。

通过上式可得，811.5kW为夏季排放至土壤内的热量值，而438.4kW为冬季吸取土壤内的热量值。

3 暖通空调节能中地源热泵技术的应用要点分析

3.1 热响应试验

为满足供暖、排热、制冷需求，需测试钻孔埋管换热性能。要求以单“U”形管为主，100m为其深度，32mm为管外径，细砂为回填材料。测试结果显示，夏季排热量平均为50W/m，冬季吸热量平均为40W/m，16.2℃为岩土最初温度，1.72W/（m·k）为导热系数。由此可见，本地区土壤地层平均导热系数一般，为中等水平，以细砂作为回填材料与此地地质条件相符。同时，埋管以竖直单“U”形管为主较为合理，且更具经济性。

测试环节，现场供电参数存在较大波动，除此之外还产生瞬时停电现象，这种情况下，将严重影响循环水流量与测试结果的准确性。由于多种原因都会影响地埋管单位孔深热交流量，为此，在地源热泵运行工况一定的情况下，应在30℃、25℃、2℃、6℃分别控制地埋管循环水侧夏季进水温度、出水温度及冬季进水温度、出水温度。

3.2 地埋管换热器系统

（1）地埋管换热器设计

一般可在建筑物周围布设室外地埋管，5m×5m为孔距，共设124个钻孔，0.15m为孔径。同样选用单“U”形管，0.032m为管外径，102m为钻孔深度，但埋管有效深度只有100m。为保证地埋管换热器功能地充分发挥，要求在室外检查井二级集水、分水器上连接各个竖井的供水、回水管，根据工程建设需求，室外检查井布设数量为8个。检查井各个集分水器需进行竖井换热器连接，数量为12～16个，并将平衡阀安设于二级集水器内，同时，将流量调节阀安设于分水器内，通过水平干管进行二级集分水器与机房一级集分水器连接。

（2）埋管形式

本工程以竖直埋管为主，选取密度较高的聚乙烯PE管作为管材，钻孔—二级集分水器PE管、二级集分水器—一级集分水器PE管承压分别为1.6MPa、1.0MPa。

（3）地埋管水系统形式

以一次泵定流量系统为主，通过同程进行管道敷设，要求在地面下方1.5m位置设置水平干管，为避免冬季天气寒冷出现开裂现象，必须做好保护措施，如黄砂层等。为增强防冻效果，可将乙二醇防冻液（25%）掺加到地下换热器内，进而提高地源热泵机组运行的安全性。

（4）土壤热平衡

为确保地热热泵机组运行安全、持续，地热热泵热平衡极为重要。因夏冬两季排热、吸热量不同，系统长期运行必定会对地下岩土体热平衡造成严重影响。通过计算可得，相比冬季吸热量，夏季排热量为其两倍左右。为满足节能的要求，需多设置一台冷却塔加以辅助，尽可能降低岩土体内夏季的排热量。

（5）回填

管材下放前期，需做好压力试验工作，保证管道质量合格才能开始回填施工。为提高地下换热器传热能力，应避免断层问题出现于回填竖井内，防止对换热器换热性能造成不利影响。依照测试结果可见，回填细砂材料时，应适量掺加一些泥浆，待计量准确后即可进行回填施工。

3.3 运行情况分析

设计环节因温度监测点未设置到地埋管换热器四周，后期根本不能对两季地下岩土体平均温度等进行观测。但可通过运行监测获取相应数据进行分析，具体如下。

（1）自投入使用后，系统运行过程中，地源热泵主机还没有启动，待地源侧循环水泵运行1h之后，即可进行地下岩土体平均温度地测量，结果为15.8℃，与热响应测试结果相比，温差较小。

（2）系统运作正常的情况下，11.7℃、8.3℃分别为冬季地埋管水侧出口、进口温度，通过观测系统每日运行情况，早上8点测量出口温度在11.7℃以上，在运行时间不断增加的同时，出口温度将逐步下降，最终可达到9.8℃左右，由此可见，通过观测系统运行情况，可将土壤温度变化情况进行充分反映。

结语

综上所述，相比其他技术，地源热泵系统节能环保效益更佳，且具備良好经济性，因此在暖通空调节能方面得到了广泛应用。本文在充分了解冷却塔复合式地源热泵系统原理的基础上，结合具体工程情况，对暖通空调节能中冷却塔复合式地源热泵系统的节能应用进行了分析，通过分析可见，此类地源热泵系统不仅能够解决热堆积问题，同时更具节能效果。

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