地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)節(jié)能中的應(yīng)用

          摘要：文章研究了地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)節(jié)能中的應(yīng)用，對地源熱泵技術(shù)的發(fā)展概況進行了分析，并對地源熱泵-輔助冷卻塔暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計建設(shè)方案進行了討論，認(rèn)為地源熱泵技術(shù)應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)，能夠大幅度減少暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗，全面提高暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性能。 

　　 關(guān)鍵詞：地源熱泵技術(shù)；暖通空調(diào)；空調(diào)節(jié)能；空調(diào)系統(tǒng)；高層建筑；機電設(shè)備 文獻標(biāo)識碼：A 

　　中圖分類號：TU83 文章編號：1009-2374（2016）14-0081-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.041 

　　人們的生活水平不斷提高，對建筑環(huán)境的要求也越來越高。暖通空調(diào)作為高層建筑必不可少的機電設(shè)備，在給人們營造了舒適的居住環(huán)境的同時，也造成了很大的能源浪費，于是人們開始研究使用其他清潔能源代替電力維持暖通系統(tǒng)運轉(zhuǎn)。地源熱泵技術(shù)就是這樣一種新型的暖通空調(diào)技術(shù)，在節(jié)約能源、減少環(huán)境污染、控制碳排放方面有著廣闊的發(fā)展空間。 

　　1 地源熱泵 

　　1.1 地源 

　　地源（groud source）有著十分豐富的漢語內(nèi)涵，包括了所有地下資源。但是現(xiàn)階段，在暖通空調(diào)行業(yè)中，地源主要是指地殼以下400m以內(nèi)范圍的低溫?zé)豳Y源，大部分熱量來自太陽，少部分來自地?zé)�。地表水體、土體均是大規(guī)模的太陽能集熱器，太陽輻射能量的47%都被地表吸收，該能量規(guī)模遠遠超過人類活動能耗，是接近無限的清潔可再生能源。地源熱泵技術(shù)的基本思路就是通過少量高品位能源，將淺層熱能轉(zhuǎn)移為高位熱能，在冬天供暖、夏天制冷。 

　　1.2 地源熱泵技術(shù)的發(fā)展 

　　20世紀(jì)中葉，能源與環(huán)境問題逐漸為人們所關(guān)注，關(guān)于地源熱泵的研究就已經(jīng)開始，在20世紀(jì)70年代之后，石油危機促進了地源熱泵技術(shù)的發(fā)展，美國截至1985年，就已經(jīng)發(fā)展出1萬臺左右的地源熱泵，1998年則增加到5萬套地源熱泵系統(tǒng)，在空調(diào)總保有量中，地源熱泵占據(jù)了19%的份額。歐洲發(fā)達國家如瑞士、奧地利、德國均使用地埋管地源熱泵為室內(nèi)地板供暖，并提供生活熱水，瑞士地源熱泵的使用比例高達96%。近些年，能源危機加劇，掀起了世界范圍內(nèi)的地源熱泵研究熱潮，地源熱泵裝機量空前增加。 

　　我國從20世紀(jì)80年代開始關(guān)注地源熱泵，一些高等院校開始了關(guān)于地?zé)峁┡�的理論與實驗研究，建立了一系列試驗臺，在螺旋盤管地源熱泵供暖與過渡季制冷方面取得了一定的研究成果。1989年，青島建筑工程學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院建立了第一個關(guān)于水平埋管的地埋管地源熱泵實驗室，至2000年，重慶大學(xué)的50mU型管地下?lián)Q熱器經(jīng)過冬夏運行性能測試，認(rèn)為該地源熱泵已經(jīng)具有工業(yè)級應(yīng)用價值。 

　　1.3 混合式地埋管地源熱泵 

　　隨著關(guān)于地源熱泵研究的逐漸深入，研究人員逐漸發(fā)現(xiàn)，土壤熱平衡問題成為了地埋管地源熱泵性能主要的影響因素。不同地區(qū)有著不同的光照條件和氣候條件，如果不能有效解決土壤熱平衡問題，將導(dǎo)致地埋管地源熱泵運行效率低下，甚至反而導(dǎo)致耗能增加。例如我國北方地區(qū)，如果采用冬夏兼用地埋管地源熱泵，北方天氣寒冷，冬季長期低溫，那么就會出現(xiàn)冬季提取地層熱量超過夏季地層吸收熱量的情況，而南方卻與之相反，在地源熱泵的長期運轉(zhuǎn)過程中，土壤平均溫度會發(fā)生變化，導(dǎo)致地源熱泵的熱交換效率持續(xù)下降，甚至完全癱瘓。因此研究人員開始研究如何因地制宜地在應(yīng)用地源熱量的同時保持土壤熱平衡，其中混合式地埋管地源熱泵技術(shù)在維持土壤熱平衡方面表現(xiàn)較好�；旌系芈窆艿卦礋岜猛ㄟ^地源熱泵和其他加熱與散熱技術(shù)的聯(lián)用，消除過分依賴地源熱泵對土壤溫度的影響。與此同時，混合型地源熱泵在冬夏分明地區(qū)可根據(jù)冷熱負(fù)荷實際情況，考慮輔助設(shè)備負(fù)荷，適當(dāng)減小預(yù)埋管長度，進一步減小對土壤溫度的影響，轉(zhuǎn)變了單一地埋管地源熱泵依靠冷負(fù)荷設(shè)計的基本原則，降低了地埋管地源熱泵的建設(shè)成本。 

　　2 暖通空調(diào)中地源熱泵的應(yīng)用 

　　2.1 地源熱泵暖通空調(diào)主要形式 

　　根據(jù)熱量來源不同，地源熱泵暖通系統(tǒng)可分為土壤源、地下水源、地表水源三類。埋管式土壤源熱泵系將使用水作為工作介質(zhì)，在土壤內(nèi)部換熱管道與熱泵機組之間循環(huán)流動，完成機組與土壤之間的熱交換，根據(jù)埋管形式不同，可分為水平和垂直兩類，這也是應(yīng)用最為廣泛的地源熱泵形式，無需抽取地下水。地下水源熱泵以地下水作為熱量來源，抽出地下水之后將水送到換熱器和熱泵機組，提取或者釋放熱量之后再送回地下，該方案的使用需要征得地方政府的許可，同時地下要具有充足的水量，回灌工作是該方案的重點。地表水源熱泵使用地表水作為冷熱源，抽取江河湖海水，形成開式循環(huán)或者閉式循環(huán)。開式循環(huán)直接抽取地表水進行熱交換，閉式循環(huán)則使用水盤管熱交換器和地表水進行熱交換。根據(jù)地源側(cè)水應(yīng)用方式不同，地源熱泵還可以劃分為閉環(huán)與開環(huán)兩類，其中閉環(huán)換熱器內(nèi)的工作介質(zhì)不和外部水或者土壤相連通，工作介質(zhì)在封閉的循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)與外部環(huán)境完成熱交換，在熱泵機組和地下埋管之間循環(huán)。開環(huán)系統(tǒng)則直接抽取外部水作為工作介質(zhì)，一般都應(yīng)用板式換熱器完成和外部水之間的熱量交換，保護內(nèi)部熱交換器。 

　　2.2 空調(diào)方案 

　　2.2.1 地埋管換熱器。為了提高暖通空調(diào)方案的經(jīng)濟性，提高能源利用率，建筑中除了有特殊要求的消防、電梯機房等房間之外，其余房間均采用集中空調(diào)方案。地埋管熱泵空調(diào)末端設(shè)計和常規(guī)暖通空調(diào)一致，換熱器是地埋管地源熱泵設(shè)計的核心內(nèi)容，要根據(jù)建筑規(guī)模確定合適的地埋管鉆井?dāng)?shù)量與長度，并對鉆井分布進行合理規(guī)劃。在施工區(qū)域內(nèi)進行換熱性能測試，并進行鉆孔換熱量計算，從而了解鉆井單位井深的換熱能力，選用雙U型換熱器，根據(jù)總供熱需求計算鉆井個數(shù)： 

　�。�1） 

　　式中： 

　　N――鉆孔數(shù) 

　　Q――地埋管熱負(fù)荷（kW） 

　　q――現(xiàn)場換熱性能測試單位鉆孔深度換熱量（W/m） 

　　H――鉆孔深度 　　根據(jù)經(jīng)驗與計算結(jié)果，進一步確定井深、有效埋深、間距、井直徑等相關(guān)參數(shù)，布置鉆井要充分利用建筑周邊綠化帶，采用梅花狀布置方案，連接制冷機房，將地源側(cè)集水器與分水器均布置在制冷機房內(nèi)，所有鉆井支路均采用同程設(shè)計，確保所有支路水壓平衡，支路總管穿墻進入機房分別連接集水器與分水器。 

　　2.2.2 熱回收衛(wèi)生水系統(tǒng)。國內(nèi)關(guān)于空調(diào)系統(tǒng)熱回收技術(shù)的研究已經(jīng)初見成效，通過熱回收機組，將冷卻水中的熱量集中起來，用以生活、生產(chǎn)熱水預(yù)熱/加熱，能夠在降低空調(diào)熱污染的同時充分利用廢熱。 

　　回收熱進行低溫用水預(yù)熱熱交換效率更高，即便應(yīng)用于高溫水加熱，其總功耗仍然遠遠小于鍋爐加熱。在地源熱泵暖通空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用熱回收技術(shù)，回收熱不僅可以用于冷水預(yù)熱，還可以應(yīng)用在地?zé)嵫a償中，將廢熱引入地下，從而能夠彌補地?zé)釗p失，緩解地?zé)岵黄胶鈫栴}，減小散熱設(shè)備的設(shè)計容量。 

　　2.3 冷卻塔運行策略 

　　冷卻塔是緩解地?zé)岵黄胶獾闹匾�輔助冷源，系統(tǒng)余熱引入能夠在一定程度上彌補地?zé)釗p失，但是作用有限，引入冷卻塔則基本能夠達到地?zé)崞胶�。冷卻塔的啟停運行策略，成為解決地?zé)岵黄胶鈫栴}的關(guān)鍵。 

　　2.3.1 設(shè)備選型。冷卻塔要能夠彌補所有系統(tǒng)釋放熱量與制造熱量之間的差，同時還要避免選型過大造成的浪費。 

　　1995年，ASHRAE給出了一種輔助散熱設(shè)備冷卻塔容量計算方法： 

　�。�2） 

　　式中： 

　　QRej――輔助散熱冷卻塔設(shè)計放熱量（kW） 

　　――設(shè)計中供冷月的總散熱量（kWh） 

　　QLoop.Rej――設(shè)計散熱總量（kWh） 

　　Hours――供冷月小時數(shù)（h） 

　　該算法中，干式閉環(huán)路液體冷卻設(shè)備室外設(shè)計條件選擇供冷月平均干球溫度，閉式閉環(huán)冷卻塔室外設(shè)計條件為濕球溫度，由于存在50%供冷月時間室外條件不太惡劣的假設(shè)，因此該設(shè)計有一定容量余量。 

　　2012年，Kavanaugh專門針對并聯(lián)混合地埋管地源熱泵系統(tǒng)對該選型算法進行了優(yōu)化改進，設(shè)計計算在考慮散熱塔總?cè)萘康耐瑫r，兼顧土壤熱量得失平衡。該算法首先計算輻射散熱塔水流量，之后修正有輔助散熱塔狀態(tài)下滿負(fù)荷冷卻時，最終獲得輔助散熱設(shè)備工作時間與容量，容量計算過程與式（2）類似。 

　　2.3.2 啟停策略。冷卻塔-地源熱泵系統(tǒng)在不同的工況下，冷卻塔的啟停策略有所不同。 

　　方案A：以地埋管地源熱泵換熱為主時，經(jīng)埋管進入冷凝器水水溫超過某一設(shè)定溫度，表示地源熱泵散熱負(fù)荷滿載，啟動輔助冷卻塔。 

　　方案B：經(jīng)過埋管進入冷凝器水文與室外濕球溫度差值達到一定溫度，啟動輔助冷卻塔。 

　　方案C：每年固定幾個月每天上班時段開啟冷卻塔。 

　　根據(jù)三種輔助冷卻塔運行策略的20年運行維護資料比較分析，認(rèn)為方案B優(yōu)于方案A、方案A優(yōu)于方案C。 

　　近些年，國內(nèi)關(guān)于地源熱泵暖通空調(diào)的研究中提出了一種新的控制策略，該啟停方案根據(jù)建筑全面冷負(fù)荷逐漸增大再逐漸減小的規(guī)律，制定相應(yīng)的啟�？刂撇呗�。制冷初期與后期，冷卻塔運行效率很高，單獨運行縮短地源熱泵工作時間，制冷高峰期，冷卻塔與地源熱泵同時工作。這樣的啟停策略能夠減少對土壤熱平衡的影響，使土壤盡快恢復(fù)溫度，同時保證了散熱質(zhì)量。 

　　3 結(jié)語 

　　地源熱泵技術(shù)是一種低位可再生能源技術(shù)，相比于電力，使用地源熱泵作為建筑暖通空調(diào)能量來源，有著清潔、節(jié)能的優(yōu)勢，是一種綠色的暖通空調(diào)方案，在保護環(huán)境和節(jié)能減排方面都能夠發(fā)揮重要作用。 

　　參考文獻 

　　[1] 孟華，龍惟定.地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用 

　　[J].節(jié)能與環(huán)保，2013，（9）. 

　　[2] 章俞昌，潘金文.地源熱泵技術(shù)的特點及其在空調(diào)工程中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2014，（8）. 

　　[3] 魏燕鑫，左風(fēng)云.淺論地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)節(jié)能中的運用[J].中華民居，2014，（4）. 

　　[4] 樊學(xué)，梁志鴻，朱超.地源熱泵技術(shù)在空調(diào)節(jié)能改造項目中的應(yīng)用[J].綠色建筑，2015，（3）. 

　　[5] 時杉杉.基于變頻技術(shù)的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造研究[D].廣西大學(xué)，2014. 

　　[6] 仉安娜，唐遠明.環(huán)保節(jié)能地源熱泵技術(shù)應(yīng)用研究 

　　[J].環(huán)境保護與循環(huán)經(jīng)濟，2015，（12）.