地源热泵在暖通空调设计中的应用

申建光

西安市建筑设计研究院有限公司，陕西 西安 710054

如今空调的使用已经十分广泛。人们可以不受天气影响，通过空调控制室内温度，在一定程度上提高了居民的舒适度和生产效率。但与此同时，空调的大量使用却给自然环境造成了极大的破坏，而且消耗了大量能源，因此要实现城市建设的可持续发展，空调设计者就必须不断创新，设计出低能耗、环保安全的新型空调。地源热泵具有节能减排、环境友好的特性，在一定程度上节约了建筑资源，具有良好的环境效益和经济效益，因此近几年地源热泵逐渐被暖通空调设计者重视起来。

1 地源热泵概述

地源热泵技术最早被英、美两国提出，后来随着空调技术的发展及对外开放传入我国，它实际上是以岩土、地表水或者地下水作为低温热源，由建筑内系统、地下换热系统、水源热泵机组构成的空调系统。依据地热能利用方式的不同，地源热泵又分为地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统以及地埋管地源热泵系统。

在暖通空调设计中所应用的地源热泵通常属于地埋管地源热泵系统。具体是将暖通空调中的冷凝器或蒸发器设置于建筑地面下，以土壤和水为传热介质实现热传递。地源热泵将地表热能收集储备，实现整个建筑内外热交换。地源热泵能量来源是大地，故将地源热泵应用于暖通空调的设计可以降低能耗，削弱对环境的破坏性。

2 地源热泵的特性

2.1 清洁性

地源热泵在工作中主要是将地热能源转化为整个暖通空调的系统运行能源，因此不需要通过燃烧放热，降低了对自然环境的污染。此外，地源热泵系统在暖空调中的设计不需要传统空调所需要的空调外挂机，不会因室外排热引起环境空气污染和噪声污染，几乎不会对外部环境造成污染和影响。

2.2 能效经济性

传统锅炉的热转化效率为70%～90%，地源热泵相较于锅炉可节约一半以上的能量。地源热泵热源在全年都相对稳定，其制冷、制热系数在3.5～4.4，相较于传统锅炉可高出40%左右。从制热和制冷角度分别分析，制热时，地源热泵系统在运行中主要是依靠电能供应实现供热的，能源消耗相对较低，经济成本较少；制冷时，地源热泵系统产生的冷却温度要明显低于传统暖通空调冷却系统，应用地源热泵的暖通空调系统，其费用能够降低1/3左右，经济优势明显，因此地源热泵空调系迅速发展起来。

2.3 稳定可靠性

一般正常运行情况下，地源热泵工作系统是由中央计算机进行整体管理和控制，保证了整个暖通空调系统在多工况运行状态下的稳定性和可靠性。与此同时，暖通空调系统也可以通过管理员远程控制和调节，满足了特定状况下用户的个性化需求。

3 地源热泵在暖通空调设计中的具体应用

3.1 地埋管地源热泵系统

地埋管地源热泵因其可利用大地冬暖夏凉及温度变化幅度较小的特性被应用于暖通空调中，其主要工作原理是通过地下埋管的封闭循环水为传热介质进行能量交换。地埋管地源热泵实现制冷或制热功能只需要少量的热泵机就能实现，热泵机完成室内和土壤的热量交换，实现室内制冷、供暖及制备热水。

夏季地埋管地源热泵主要进行制冷工作和提供生活热水，在整个地源热泵空调机组中空调热交换器被埋于地下，通过高强度埋管封闭回路中的水流循环，实现与地表层土壤的冷热交换和室内的风机盘制冷效果。与此同时，空调机组产生的多余热量一方面用于生活热水的制备，另一方面热量被重新转移到地下，储存热量的同时实现房屋内的降温。地埋管地源热泵在冬季主要实现地板采暖和提供生活热水的功能。地埋管系统工作原理：埋于地下的封闭回路将土壤传送于室内的热量通过室内暖通空调的末端释放出来，进而通过供暖设施提供生活热水。地埋管地源热泵示意图如图1所示。

图1 地埋管地源热泵示意图

3.2 地下水地源热泵系统

地下水地源热泵系统相较于其他类型的地源热泵系统，其效率更高，并且其建设成本也相对较低。目前应用中的地下水地源热泵系统主要是指能够与地下水进行热量交换的地热能交换系统，具体由三个部分组成，分别是室外地热能交换系统、水源热泵机组和建筑物内系统。其系统类型大致可分为直流式、同井回灌式，异井回灌三种形式。通常情况下，地下水温度在25℃以下，而夏季室外空气温度大多数时间在25℃以上，冬季室外空气温度大部分时间低于25℃，这就存在较大的热容量，能相对轻松地实现热能由低品位向高品位的转移，因此夏季能够用于室内降温，冬季又可用于室内采暖。地下水地源热泵系统主要运用深层地下水作为主要水资源，加之地下水显著的恒温效果，使地下水地源热泵的能效性明显提高，从而减少电能的浪费，有着相对较高的经济效益，因此地下水地源热泵相对而言性价比较高。地下水地源热泵示意图如图2所示。

图2 地下水地源热泵示意图

3.3 地表水地源热泵系统

地表水地源热泵系统同样有供暖和制冷两种功能，但是区别在于地表水地源热泵系统实现制冷功能主要是依靠气体向液体进行热量转换，通过冷媒处理把热量给吸收进来，再将冷气释放于室内。供暖则是通过冷凝器将液体蒸发后通过机组循环及处理，将热量释放于室内。

当暖通空调处于制冷工作状态时，地表水地源热泵机组内的压缩机会对冷媒做功，进而实现汽化—液化的循环。在进行制冷工作时，地源热泵压缩机开始对冷媒做功，使得水在机组内不断进行汽液转换。这时冷媒将热量通过风机盘进行吸收，热量最后通过整个机组的水路循环传送至地表水。室内热量不断传输到地下，风机盘将热量处理，制冷得以实现。

当暖通空调处于制热工作状态时，通过换向阀实现冷媒流动方向的转变，地表水热量被地下水循环系统所吸收，进而通过冷媒蒸发，又将水路循环中的热传送至冷媒，在冷媒循环的同时通过冷媒的冷凝作用将热量再一次传至风机盘。在地下的热量不断被转移至室内的过程中，最终形成热风，以此向室内供暖。

4 结束语

总体而言，地源热泵因其高效节能的特点和良好的经济效益，在暖通空调中设计中的应用前景是十分广阔的。其具体的工作原理在技术方面也有强有力的科学理论依据作为支撑。合理应用地源热泵技术，可在促进系统正常运转的基础上减少其对环境带来的污染，并以此推动建筑行业的持续发展。但是就目前而言，地源热泵在暖通空调中的实际应用还没有完全流行起来，希望今后相关设计工作者能不断突破，早日实现地源热泵空调在普通居民住宅中的普及使用。