探讨地源热泵技术在暖通空调节能中的应用

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　　【摘 要】新能源热泵技术属于一种新型节能型环保技术，热泵技术主要是通过将热量及冷量的转移来实现供热取暖及制冷的效果，为人们提供环保式的温度享受，相对于以往所用的供热技术更具有环保优势及质量更佳、效率更高。因此，热泵技术应用在暖通空调中的范围越来越广，受到广大居民的喜爱及推崇。
　　【关键词】地源热泵技术；暖通空调；节能；应用
　　1分析地源热泵的概念及特点
　　所谓地源热泵技术是指通过少量高品位能源（电能等）将陆地浅层低品位能源转化为高品位能源的技术。地源热泵分为土壤源热泵、地下水热泵、地表水热泵等三类，属于清洁能源的一种。该技术运用于暖通空调当中主要分为热泵机组、室外地能换热系统以及室内空调末端系统三个部分，能够实现调节室内温度，实现冷热交替的功能。与此同时，暖通空调中运用地源热泵技术不但能够提高工作效率，还能节约大部分能源，减少温室气体的排放，实现节能减排的效果，进一步提高企业的经济效应，响应国家可持续发展策略。特点为：第一，利用可再生能源。对地热资源的利用其实主要就是依赖可再生能源来实现降温供暖的功能；第二，具有环保节能优势。由于地源热泵技术主要利用的能源是可再生能源，因而地源热泵技术与传统的空调系统相比，能源使用更为长效，对环境无污染，较为环保、节能；第三，维护成本低。地源热泵部件主要布置在地下或是室内，且内部的机械运动部件比较少，因而其耐久性较强，而且其机组支持无人值守、自动化水平高、结构较为紧凑、平均寿命高，属于无需维护的新型空调系统，因而其维护成本较低。
　　2暖通空调中地源热泵的应用分析
　　2.1地源热泵暖通空调主要形式
　　地表水源、地下水源、土壤源是地源热泵的三个主要热量来源。
　　（1）地表水源是利用地表水作为供热来源，实现供热。地表水源有两种循环模式：开式循环和闭式循环。开式循环是指直接将江河湖海等地表水抽取进行热交换，而闭式循环则需使用水盘管。
　　（2）地下水源。地下水源是利用地下水作为供热来源，实现供热。其工作原理是利用热泵机组以及换热器将抽取的地下水释放或提取热量后，重新送回地下，实现热能的循环利用。值得注意的是，由于地下水是地球上重要的水资源，抽取时需要较高的技术，因此在进行地下水热泵时，不但要征得当地政府的同意，还必须制定完善的回灌方案。
　　（3）土壤源。土壤源是利用土壤热泵系统实现供热。其工作原理是，选取水作为传热媒介，实现热泵机组与土壤内部换热管道的循环流动，从而实现热能交换。
　　2.2空调方案
　　（1）地埋管换热器。为了提高暖通空调方案的经济性，提高能源利用率，建筑中除了有特殊要求的消防、电梯机房等房间之外，其余房间均采用集中空调方案。地埋管热泵空调末端设计和常规暖通空调一致，换热器是地埋管地源热泵设计的核心内容，要根据建筑规模确定合适的地埋管钻井数量与长度，并对钻井分布进行合理规划。在施工区域内进行换热性能测试，并进行钻孔换热量计算，从而了解钻井单位井深的换热能力，选用双U型换热器，根据总供热需求计算钻井个数：
　　根据经验与计算结果，进一步确定井深、有效埋深、间距、井直径等相关参数，布置钻井要充分利用建筑周边绿化带，采用梅花状布置方案，连接制冷机房，将地源侧集水器与分水器均布置在制冷机房内，所有钻井支路均采用同程设计，确保所有支路水压平衡，支路总管穿墙进入机房分别连接集水器与分水器。
　　（2）热回收卫生水系统。空调系统热回收技术不但能够实现对废热的充分利用，还能够对空调产生的热污染情况进行改善，与锅炉加热相比其总功耗较小，具有显著的节能效果。将热回收技术应用到地源热泵暖通空调系统中可以使地热不平衡现象得到缓解，对地热损失进行弥补，而且通过将废热传递给地下，可以实现对地热进行补偿作用，此外，还可以将回收到的热量用于冷水预热。
　　2.3冷却塔运行策略
　　冷却塔是缓解地热不平衡的重要辅助冷源，系统余热引入能够在一定程度上弥补地热损失，但是作用有限，引入冷却塔则基本能够达到地热平衡。冷却塔的启停运行策略，成为解决地热不平衡问题的关键。
　　（1）设备选型。冷却塔要能够弥补所有系统释放热量与制造热量之间的差，同时还要避免选型过大造成的浪费。1995年，ASHRAE给出了一种辅助散热设备冷却塔容量计算方法：
　　该算法中，干式闭环路液体冷却设备室外设计条件选择供冷月平均干球温度，闭式闭环冷却塔室外设计条件为湿球温度，由于存在50%供冷月时间室外条件不太恶劣的假设，因此该设计有一定容量余量。
　　（2）啟停策略。冷却塔-地源热泵系统在不同的工况下，冷却塔的启停策略有所不同。
　　方案A：以地埋管地源热泵换热为主时，经埋管进入冷凝器水水温超过某一设定温度，表示地源热泵散热负荷满载，启动辅助冷却塔。
　　方案B：经过埋管进入冷凝器水文与室外湿球温度差值达到一定温度，启动辅助冷却塔。
　　方案C：每年固定几个月每天上班时段开启冷却塔。
　　根据三种辅助冷却塔运行策略的20年运行维护资料比较分析，认为方案B优于方案A、方案A优于方案C。近些年，国内关于地源热泵暖通空调的研究中提出了一种新的控制策略，该启停方案根据建筑全面冷负荷逐渐增大再逐渐减小的规律，制定相应的启停控制策略。制冷初期与后期，冷却塔运行效率很高，单独运行缩短地源热泵工作时间，制冷高峰期，冷却塔与地源热泵同时工作。这样的启停策略能够减少对土壤热平衡的影响，使土壤尽快恢复温度，同时保证了散热质量。
　　3结语
　　总而言之，地源热泵技术是一种低位可再生能源技术，相比于电力，使用地源热泵作为建筑暖通空调能量来源，有着清洁、节能的优势，是一种绿色的暖通空调方案，在保护环境和节能减排方面都能够发挥重要作用。
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　　作者简介：
　　田向伟（1988.1-），男，山东烟台人，西南科技大学供热、供燃气、通风及空调工程硕士，设计师，单位：烟台市建筑设计研究股份有限公司，研究方向：建筑节能，室内环境控制。
　　（作者单位：烟台市建筑设计研究股份有限公司）
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