地源热泵技术在暖通空调中的应用分析

文/何耀炳，华南理工大学建筑设计研究院

随着社会经济的发展和民众生活水平的不断提高，居住环境舒适度的问题也越来越受到人们的重视，其中暖通空调作为高层建筑中用于控制空气温度和湿度的系统设备，在为人们提高居住舒适度的同时也带了很多环保问题。传统方式运行的暖通空调不仅能耗巨大，还会排放很多的污染物质，给环境带来严重危害。而地热作为地球内部清洁无污染且储量巨大的能源，将其以地源热泵技术的形式来应用到暖通空调中不但可以很好地解决以往困扰人们的环保问题，还能很好地提高人们的居住舒适度。

1 大地耦合热泵技术在暖通空调中的应用

大地耦合热泵指的是将地表浅层土壤作为热源或热汇，并以水平或U型管的形式将耦合式地热交换器安放在预设的地沟中或竖井中，接着将交换器和建筑内的环路进行连接的一种地源热泵技术，其具备波动温度小、降低以往空调运行中出现空气、热和噪声污染的可能性及最大限度利用太阳能的优点，其按照不同形式有以下分类：

1.1 间接式大地耦合热泵，通过热泵工质-水换热器的间接形式进行换热，主要用盐水溶液和载冷剂在蒸发器或热源间交换热量，有着减少制冷剂充灌量、增加热泵系统灵活性并降低工程量的优点，但也有着需要额外引入交换器会导致增加成本的缺点；

1.2 直接式大地耦合热泵，通过埋于地下的盘管膨胀来交换热量，通常是将一或两根长90米的铜管用做两缸或三缸的压缩机埋入地下，从地下抽热，成本小，能有效减少投资，特别适合普通家庭使用；

1.3 水平式大地耦合热泵，通过聚乙烯硬塑料管进行换热，管长不超过100米，热泵工质采用盐水溶液，可以在零下15摄氏度时正常运行，通过盐水溶液来吸收热量；

1.4 垂直式大地耦合热泵，将由内外两根管子组成的导管垂直安放在土壤中，借助其进行吸热，管深可超过100米，通常以金属或聚乙烯塑料为材料构成。

2 地下水热泵技术在暖通空调中的应用

地下水热泵技术是各种地源热泵技术中得到最广泛应用的一种，该类热泵技术通过地下深井水，依靠热汇、热源进行制冷或供热。因为地下深井水位处于较深地层中，在隔热和蓄热的作用下，不但深度较浅，而且水温常年保持不变，这对热泵的运行有着显著的优势，具体来讲表现在以下几个方面：

2.1 水井布局紧凑、占地面积小，有利于地下水抽取和回灌工作的开展；

2.2 针对大地耦合热泵而言，地式热交换器单位容量造价基本固定，改善成本较小，且井水单位容量成本极低，只需要拥有普通流量即可满足整栋建筑物的需求；

2.3 同传统的中央空调HVAC系统相比，设计良好的地下热泵系统基本上不需要使用特别的费用来进行维护，若地下水回灌到蓄水层，也不会影响整个地层中的实际含水量。这将避免出现底层沉降的问题，有效保护当地的地理环境和生态环境；

2.4 很多商业系统使用地下水热泵技术已经数十年了，多年的实践已使该技术十分成熟，这有利于施工顺利。

但同时地下水热泵技术也存在着以下几点不足：

2.4.1 采用含水层蓄水来调节空调，其温度将受到一定限制；

2.4.2 若钻井施工或井水水质不佳，会造成地下水污染；

2.4.3 若热泵系统设计不合理或取水位置较深，将增加泵消耗的成本。

3 案例设计

一工程项目为某公司安装中央空调，公司包括地下一层和地上十二层，总高度48米，建筑面积为68000平方米。

空调冷热源：本工程所采用空调面积为46962平方米，空调冷负荷为6600KW，热负荷为4900KW，选用螺杆式地源热泵机组四台，制冷量1696KW、输入功率283.6KW，制热量1502KW、输入功率34 7.5KW。

室外地埋管采用竖直U形埋管的形式，根据就近地源热泵项目所做的热相应测试结果来确定埋管数量和形式，最终依照建筑物室外总平面和估算地质情况，采用DN32,双U型垂直埋管换热器，管之间间隔4米，采用水平非集管式连接

室外垂直设计：选用PE管U型单排管D25 2.3+0.5/PE100 1.6MP a，管用于埋管的竖井之间间距4*4米，埋管井径D160，井深102米，指标为制冷60W/米，制热45W/米

冷负荷制冷量6150KW/小时，热负荷制热量4500KW/小时

本工程所安装空调夏季冷负荷6150KW/小时，COP值取6，运行取120天，冬季热负荷4500KW/小时，COP值取4.5，运行取120天，空调季均负荷0.7，日均负荷0.9每天运行8小时，得出其整个夏季将向大地放热4339440KW，冬季将向大地吸热2086560KW，中间有着52%的不平衡率。若不平衡率由土壤承担会造成土壤冷热失衡。这时本工程采用冷却塔来解决这一失衡问题，保证土壤温度的平衡。

本工程使用双U型管的垂直耦合埋管法，埋管区域设计在绿化带和裙房建筑基础内，提高了埋管的换热效率，埋管材料选用型号HDPE -100、管径Φ25，壁厚2.3MM的材料，这种管道可以耐受1.6MPA的压力，埋管时运用对管的U型穹头采用电熔焊接，以保证管道接头的连接强度和焊接质量。

经计算得出：夏季期间制冷电费为767520元，冬季供暖电费为783628元，全年运行费用为1551148元。而传统的制冷和供暖方式全年运行费用为2459443元，节省费用90万元。按热电厂每发1KW H点耗费0.361千克标准煤计算，每年可节省能源433吨，环保优势十分明显。

4 总结

综上所述，本文集中研究了地源热泵技术在暖通空调中的应用方式和应用效果，应用地源热泵技术中的大地耦合热泵、地下水热泵和污水源热泵可以取得节省建筑成本，减少能源消耗量和污染物质排放量的良好效果，希望本文的研究可以更好地提升我国地源热泵技术的总体水平，扩大其应用范围，为我国空调系统工程实现可持续发展做出贡献。

【参考文献】

[1]邵明亮.地源热泵在建筑空调设计中的应用分析[J].科技致富向导，2011