地源热泵技术在暖通空调节能中的应用

王志波

摘    要：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。

关键词：地源热泵技术;暖通空调节能;应用

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。

2  暖通空调设计中地源热泵的特点与优势

2.1  能源可再生

地源热泵利用的是“地源”，也即地球表面的0～400m范围内的地热资源，这部分资源为冷热源，可以满足暖通空调系统能量转换的需求。冷热源也被称为地能，是指地下水、地下河流、地表土壤、湖泊吸收和存储的低温位热能。以物理学的角度看，地球表面浅层是一个效率较高、范围巨大的太阳能集热器，每天约有35%～45%的太阳能可以被地表收集，从总量来看，约等于人类每年能耗的500倍。这些资源几乎是取之不尽用之不竭的，同时太阳能的应用不受到地域、资源限制，属于典型的可再生资源。

2.2  高效节能

在应用地源热泵较早的欧洲国家，研究人员曾进行过调查，在热交换能力相近的情况下，地源热泵的COP值达到了4以上，换言之，用户每获取4kWh的热能或者冷能，只需消耗1kWh能量。传统的空调机COP值往往不会超过2。地源热泵系统使用的时候更加节能环保，该系统的能源主要来自大地，用热交换的方式保持室内的内部温度平衡，在技术先进的德国慕尼黑，科研人员利用太阳能电池板加强了对太阳能的收集能力，将其与传统模式下的地源收集存储系统实现联合应用，一度将地源热泵的COP值提高到5.2的水平，节能效果非常显著。

2.3  社会效应良好

地源热泵的能量源是太阳能，而且其装置结构在工作过程中几乎不会产生污染，不会产生任何化学反应、废弃物和烟尘，在居民区、工业区、商业均可以广泛应用。同时不需要为燃料准备仓储空间、不必进行燃料储备管理、能量传输作业，有效的控制了污染。在已经实现地源热泵应用的地点，可以发现该设备的应用范围很广，也能实现一机多用，可以提供冷热交换基本服务，也能提供生活用热水，一套系统可以替换此前具备同类功能的所有系统，降低了运维费用，社会效应突出。

2.4  良好的稳定性

地源热泵系统的系统稳定性好，尤其在北方地区，北方冬季温度低，人们在日常生活中离不开暖通空调，暴露在房屋外部的保温系统如果保护不当，很容易遭到破坏或者冻裂，但是地源热泵系统是埋在地下的，不会受到气温的影响，也不会影响到建筑外表的美观性。此外，地源热泵系统较高的能源利用率也有利于保证系统工作的高稳定性，地源热泵的能源来自大地，大地可以储存热能和冷能，而且温度在变化的时候幅度比较小，夏季的时候，大地将储存的热能留到冬季使用，冬季的时候，大地将存储的冷能留到夏季使用，从而减少环境的污染，提高清洁能源的利用效率[1]。

3  地源熱泵技术在暖通空调系统节能中的具体应用

3.1  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。

3.2  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。

3.3  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。

3.4  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。

4  结束语

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。

参考文献：

[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] 胡勇.浅述地源热泵在暖通空调设计中的应用[J].中国住宅设施，2017（9）：17～18.