暖通空调设计中地源热泵的应用研究

冰 雪

(中国市政工程东北设计研究总院有限公司，吉林 长春 130000)

建筑中的暖通空调是建筑行业的基础设施，不仅可以为人们提供舒适方便的生活条件，而且还可以很大程度上减少能源浪费，更有利于新型清洁能源的推广应用。

1 地源热泵的概念阐述

在暖通空调设计的过程中，其中所包含的地源热泵，具体是指将空调系统中的冷凝装置或者蒸发装置安装在楼宇地下，然后通过土壤或者水来实现热源的有效交换，从而使得地源热泵能够在高气温天气情况下实现热能的有效储存，在冬季就可以用储存的这部分能源来为建筑进行供暖。同时，在寒冷的天气情况下可以通过地源热泵来对冷能进行储存，到了夏季可以将储存的这部分冷能用来制冷降温。总的来说，地源热泵主要是从大地中吸收能量，所以，通过设计这一系统，能够降低暖通空调的能源效果，对于生态环保是非常有利的。

2 地源热泵的结构原理阐述

在地源热泵系统中，主要包括了通风、暖风、制冷、除湿、过滤和加湿系统，在整个制冷系统中所应用的原理是对冷却热交换装置进行应用，通过鼓风机将这部分空气吹入到室内当中，从而在达到通风效果的同时，也实现了制冷。一旦室内含有大量的水分，那么通过蒸发装置来进行冷却，实现空气中水分的冷凝，进而达到除湿的效果。暖风系统主要用来对室内进行除霜和取暖，地源热泵系统是通过对地下热量的应用来使得温度获得提升，通风系统的主要作用是抽入建筑外面的新鲜空气，从而实现室内的通风。对于地源热泵而言，所具有的工作原理大体相同，就是通过人工的方式来为建筑创造一个更加适合人们生活和居住的环境。在天气较为炎热时可以采用制冷的措施来降低室内温度，制冷方法有很多种，热泵制冷主要是利用做功的方式来制冷降温。在寒冷的天气下主要是将大地作为热源，从而为室内提供热量。

3 暖通空调设计的相关指标分析

3.1 温度

在暖通空调设计中，温度是其中的重要控制指标，在对温度这一因素的控制上，一般在一些大型的厂区中都会有很高的控制要求，尤其是在一些厂区中对于产品加工有着很高的要求，需要厂区中的温度能够保持在一个合理的范围，这样才能够确保加工出来的产品达到预期的标准。因此，很多大型的工厂所采用的都是温度自控装置，以此来对厂区温度进行有效控制。自控系统对于温度的控制，就是通过管理人员在系统中设定的数值作为参考，并保持回风的稳定，以此来对最终的结果进行准确的计算，在达到设计需求的基本上来使用温度传感装置对温度进行控制。

3.2 净化

在暖通空调技术设计的过程中，净化是其中的关键性指标，所谓净化就是在暖通空调系统中设置过滤装置以实现对空气的净化，通过过滤装置吸入空气，利用其中的滤网来将空气中的有害物质过滤掉，经过这个过程的处理来让空气变得更加洁净和清新，进一步提升人们的生活质量。除此之外，即便是在空气洁净程度较高的区域，也同样可以应用这一设计。

4 暖通空调设计注意事项

在暖通空调设计中，为了保证地源热泵本身的最大值，必须注意以下问题:(1)因地制宜。在暖通空调设计中,客观环境的优势将直接影响地源热泵,所以因势利导必须是覆盖的原则,地源热泵的应用流程,增加有针对性的加热设备和冷却设备,可以保证空调更好的满足人们的需求,地源热泵可以达到更好的价值。(2)正确选择单位。基于地源热泵暖通空调设计需要选择合适的单元为基础,和更高的性能系数和能源效率比,否则将直接影响建筑夏季制冷、冬季供暖,甚至空调系统的正常使用也会出现一系列的问题。(3)合理管控。基于地源热泵的暖通空调系统需要合理的控制，控制涉及井组控系统、池控系统、热泵机组自动控制系统等，从而进行集团化管理，保证各个控制系统的控制能力，以便更好地为人们服务。

5 地源热泵的特点

5.1 污染性较低

因为地源热泵主要靠电力驱动，这样它就摆脱了燃烧等传统的能源供给生产形式，从而对防止环境污染起到了重要作用。地源热泵具有节能、环保的特点，具有运行时间和空间限制等优点。即使周围环境十分恶劣，地源热泵也同样能正常工作。如，在极端寒冷的天气条件下，地源热泵可为相关设备提供充足、稳定的能量；在高温天气条件下，也能同样完成针对地下能量的有效释放，从而保证地下温度始终在可控的合理范围内，避免由于外界的各种变化造成不良后果。

5.2 具备可再生性

与传统的能源开发方式相比，地源热泵主要依靠相关的清洁能源开发技术。如果在正常运行中对地源热泵进行科学合理的调整，将清洁能源与可再生能源高度融合，发挥各自的优势，是可再生能源发展的新方向。综上所述，开发利用太阳能等一系列清洁能源，将地源热泵技术作为地源热泵技术的能源基础。因此，要充分利用太阳能等一系列新的清洁能源，不仅保证了地源热泵的正常供应，而且有利于我国节能减排的进一步发展。

5.3 降低维修费用

在地源热泵技术的实际应用和发展方面，证明了使用地源热泵技术可以在一定程度上降低系统维护和技术开发的投入成本。促成这种现象的主要原因是，当地源热泵处于运行状态时，其具有超强的耐久性；而当技术设备处于工作状态时，内部的各个元件之间有较少的相互摩擦运动，减少了设备和设备的磨损，从而使其使用寿命大幅延长。一般而言，应用地源热泵设备的设备体都位于地下，这样可以降低设备与空气的接触概率，有效地防止因空气中的水汽等气体而产生的腐蚀问题。同时，采用地源热泵技术的设备使得部件之间的集成更加紧密，系统更加完善，使得设备运行时可以实现无人操作，减少人工投入，降低成本。

5.4 地源热泵技术具备可靠性以及稳定性优势

当地源热泵应用系统运行时，利用计算机应用系统对系统进行监控和管理，极大地保证了地源热泵应用系统的正常、安全地稳定运行。另外，地源热泵相关管理人员还可通过系统主机实现对地源热泵应用系统的远程控制和监控。因此，在使用系统时及时发现各种问题，并采取有效措施及时有效地解决这些问题。与此同时，地源热泵应用系统在运行状态中不受环境因素的影响，使系统内部热源温度相对稳定，有效地控制在制冷系统制热的范围内，并能在控制范围内。所以，地源热泵应用系统具有很好的稳定性和可靠性。

5.5 地源热泵的劣势分析

从目前的情况来看，我国的森林植被遭到了严重的破坏，同时也存在着随意排放废物废水的情况，从而导致植被和树木数量大幅度降低，土壤特性也受到了负面的影响。地源热泵的应用有着很高的土壤要求，可以说土壤所具备的性质会对地源热泵所发挥出的性能带来直接的影响。那么作为工作人员，在对地源热泵进行应用的过程中，必须对土质、气候、土壤湿热等情况进行掌握，以此为基础来对地源热泵进行应用才能够让人们更加舒适。与此同时，在多种不同的负荷条件之下，并未深入的去探究地下换热系统与热泵装置之间的配合，地热技术主要采用的是热能换热装置，重点关注的是换热装置与热泵系统之间的匹配程度。与线源传热不同的是，热泵系统与换热装置的匹配更加关注传热和传质的模型，能够对换热情况进行精准的模拟。对于地质情况的不同，所使用的地源技术也有所区别，地源工程的投入有着很大的差价，如果在前期没有做好调查工作，或者没有对技术方案进行深入的分析，那么就可能出现问题。另外，热泵这一技术需要和其他技术之间的合作发挥功率，需要工作人员能够同时掌握多种技术，这样才能够做到技术应用的协调，确保其具备足够的经济性和技术性。

6 地源热泵在暖通空调设计中的应用

6.1 暖通空调设计原则

要将地源热泵应用于暖通空调设计，就必须首先了解设计原则。考虑到空调和各个行业在建筑中的广泛应用，以实现低能耗和环保，暖通空调设计必须在保持功能的同时节能、减少污染。目前暖通空调的生产和应用主要遵循节能的原则。但由于其低能耗，很好的满足了省电要求。在这种情况下，地热源热泵的运行能量主要来自电能，交换介质主要是水。能源交换主要采用天然气能源，基本零污染，符合环保要求。研究发现，地热源热泵的能耗与制冷效果的关系可达1∶4，能以较少的能量维持适宜的室温环境。

6.2 连接地源热泵与冷却塔

热泵地下设备与冷却塔的连接，主要是为了满足夏季的降温需要，传统的地源热泵原理是以水为介质，通过压缩冷凝器吸收室内热量，接着排放到土里，也可以把地下设备和冷却塔连接起来，热被直接送到冷却塔，通过冷却塔冷却，使热量以空气为介质直接用于室内降温，防止热能进入土壤，影响生态环境。另外，北方、西北地区等地区风力较大，利用风力作为冷却塔的动力，可确保冷却过程中所消耗的热量较少，达到节能、减少污染的目的，这种设计思想已在小范围内得到了实践和应用。

6.3 热泵机组与空调设备的连接

连接空调和热泵是将地热源热泵连接到暖通空调的最简单、最直接的方式，可以替代空调、制冷、采暖等热泵机组。这种接线方法的关键是根据空调设备所需的管道连接不同的热泵管道。例如，冷风管连接到制冷机组时。要注意空调和热泵机组的功率差，如果空调功率大，可适当增加地热源热泵的用量，适当降低热泵的工作量，避免室温高或低。

6.4 连接空调设备和热回收机组

热回收装置是一种储存多余热量的装置，主要用于夏季室内温度，通过空气或水收集热能，通过管道传递热量。储存在备用热源或热回收设备上。同时，在寒冷的日子里也可以使用。连接空调时，可以通过空调调节室内温度，减少空调的热量消耗。此外，该工艺的难点之一是余热的合理利用和热回收装置的储存。对于热功能，目前可用的材料具有高比热容和高蓄热性能，如，复合材料、液体材料。

6.5 智能化设计

将地源热泵应用于暖通空调设计已经成为一种趋势，通过智能化设计，可以提高相关技术的应用效果。智能化主要体现在暖通空调集成控制系统中。简而言之，通过在暖通空调系统中增加智能模块来调节室内温度，同时控制地源热泵与能量输送相关的工作。比如，当室内温度达到合适的温度时，供暖运行会自动停止，温度过低或过高都会自动报警，以保证资源的合理利用，方便人员操作。

7 地源热泵技术在暖通空调中的应用

7.1 大地耦合热泵

在现代建筑的暖通空调系统设计中，利用地源热泵是必要的。地热泵在实际应用中的具体分析如下。

(1)土壤温度变化对大地耦合热泵系统影响不大。由于土壤是储存热量和热量的材料，不受温度和湿度的影响，可以作为热源向地源热泵传递热量，为此，人们常把土壤耦合热泵技术与太阳能集热器结合起来，在暖通系统中，土壤源热泵可以有效地提高能源利用率，确保其高效运行。

(2)与其他地源热泵相比，地源热泵更环保，可以替代传统的锅炉和冷却塔，保护周围生态环境，降低能耗，减少环境污染。

(3)土壤耦合热泵运行稳定。无论是冬天还是夏天，这个系统装置都埋在地下，对设备没有影响。即使在北方寒冷的冬天，也不需要给设备除霜。

7.2 地下水热泵

地下深井供水可以为系统提供足够的热源，实现夏季暖通制冷，冬季供暖。地源热泵系统经常采用热泵技术。水温不受外界环境影响，所以系统水源主要采用地下井水。下面分析地下水热泵技术的优点，并讨论其实际应用。

(1)与其他地源热泵相比，无论是地下水回灌还是抽水，占用空间都很小，没有一种对其占地面积有影响。

(2)地下水源热泵技术可以降低地源热泵技术的使用成本，系统维护方便，不破坏生态环境。在建筑物暖通空调的应用中，采用地下水热泵对水资源进行回收利用，但灌溉过程中地下水含量保持不变。

7.3 污水源热泵

所谓污水源热泵，主要是在城市或者工业污水中提取热源，从而通过转化的过程让其成为更高品质的能源，为人们提供热量。污水源热泵的特点在于温度变化幅度较小且水质较为稳定，其优点主要包括这样两个方面：首先，其水质温度常年处于13～25℃，具有输出热量稳定以及COP值高的优势；其次，污水源热泵对于污染的排放要更低，并能够节省更多的能源，因为这种热源温度更加稳定，所以无论是制冷还是制热的系数都要高于传统源热泵。

8 结 语

综上所述，地源热泵是一种科学、高效的供热技术，具有高效、环保的优点。采用地源热泵技术能有效提高地热资源的利用率，弥补传统空调技术的不足，有利于环保事业的发展，土壤源热泵的应用能实现人与自然的和谐。