某区域建筑地源热泵设计及经济性分析

李金花

摘要：地源热泵作为新世纪的一项新能源技术，其主要机理是运用地下水的低温和储能作为供热和降温的新型热泵循环体系。作为一项新的设计思路，国内在推广和使用方面还处于初始阶段。本文根据某区域建筑地源热泵设计和其运转周期内费用的消耗进行了综合分析，希望能够为类似区域的地源热泵节能设计提供指导和参考。

引言

随着21世纪以来世界范围内能源危机的不断加剧，越来越多的国家开始投向新能源开发领域，特别是对于建筑耗能方面的新能源开发的课题研究，与此同时，地源热泵设计与使用在建筑节能设计中得到了大面积的推广和使用。国内关于地源热泵技术的开发和应用还处于初始阶段，对于其所在区域建筑的适用性和经济性仍需进一步探索，本文基于某区域建筑的地源热泵设计，并对其经济性进行了探讨。

1、地源热泵的工作机理

当前国内外所使用的地源热泵技术所遵循的是逆卡诺循环，通过外部供给热泵消耗较少的能量，将低温环境中的热能吸收，并通过热泵完成大量热能的输出，并将其运用到建筑工程的取暖中。通常地源热泵的供暖空调主要由三个部分构成，即室外地热能交换体系、热泵机组部分与室外采暖用空调部分。其作业机理包括如下：

（1）室外的地热能的换热体系可以实现冬季给建筑物供给热量的功能，通过将低温循环排除热泵和大地热源交换作业，达到热泵机组通过大地“吸热”和供暖的目的；

（2）水源热泵机组通过系统介质蒸发形成气体，并运用机组压缩机对气体进行压缩，随后通过冷凝设备将气体转化为液态，并释放出热量。该过程循环作业，不断生成热量，供给建筑取暖；

（3）通过建筑室内采暖空调的末端系统，完成冷凝设备和热机组的热量交换，促使室内温度提升达到供暖的效果。

2、某地建筑地源热泵设计

2.1工程概况

某北方地区建筑，其建筑采暖采用地源热泵空调系统，同时其生活热水体系选用的也是地源热泵系统，其供热系统总图见下图1所示。

该体系主要包括三个运行阶段，即：冬季运行阶段、夏季运行阶段和过渡季运行。建筑室外埋管设计的数量是根据建筑物的冷负荷大小进行设计的。夏季空调所产生的热能通过热泵机组将其排到地下，有的热量可以通过热泵机组对生活用水进行加热，实现热源的科学利用。该建筑运用该热泵循环体系，全年的生活用水可以科学利用热源，减少了生活所用热水对能源的消耗。

2.1.1地源热泵空调系统

单独选用地源热泵的空调体系，主要通过地源热供给空调的热源和制冷，夏季热量排放到地下，冬季通过地源热交换实现取热功能，为该建筑的常年采暖和制冷提供服务。地源侧进出口采取热量表设置的方式对地源热的交换量进行统计，为其经济性分析提供数据来源。

2.1.2地源热泵热水系统

夏季通过热回收热泵机组完成热量的回收和传递。空调体系将室内热量运用热泵吸收，并向其用于该建筑的生活用水的加热，减少热量的散失，同时也节约了生活用水加热所需的能源。对于过渡季与冬季，采取高温机组热循环的方式来制备生活所需热水，运用地热能源减少能源消耗。

2.2地源热果空调生活热水系统运行策略

为实现该建筑的地源热泵循环体系的供热和制冷功能，其系统所选取的釆用如下运行方案：

2.2.1定温控制

生活用水体系选用定温控制系统，通过定温控制来达到水箱温度的全面控制，该系统正常运行时，其蓄热水箱选用的时容积式换热器，其容积大小根据生活热水的蓄水需求进行设计，并保持其内部的水温能够达到一定温度后会自动停止加热，当低于某一特定温度时系统就会持续加热制备生活用水；

2.2.2热量控制

该建筑地源热泵体系全年运行均选取了热量控制的方法，假设Qk为该体系全年地源热交换的总量，Qs为该建筑中的生活热水所需的热量的总和，并设定Qo表示该建筑对太阳能热量使用值大小。该体系运行过程中能源通过三方面指标进行控制，即三种能量循环运用，保证该建筑能源的充足，减少耗能取暖。

2.2.3工况节能控制

夏季地源热泵运行过程中，通过运行工况的控制，达到节能的指标要求。夏季空调使用用户较多，造成了用户侧负荷的降低，并出现了热泵机组所回收的热量达不到生活用水和排热需求的问题，此时，通过开启高温热泵机组解决制冷和加热生活用水的需求。地下管线通过水循环进入空调的制冷循环，并运用冷却水循环的方式实现室内降温。同时，另一部分水源进入热水热机组实现生活用水的加热。通过以上温度控制方法和节能控制方法等的实施，达到温度控制和生活用水制备的设计要求。

2.3地源热泵系统耗能统计

通过对该建筑地源热泵系统全年的能耗统计，其统计结果见下表1所示：

通过该地区建筑运用地源热泵系统的2017年全年能耗统计发现，该建筑放出热量远超出建筑释放热量，可见该区域建筑可以采取地源热泵技术，减少太阳能设施的设置，通过运用地源热，全年可以累积节约大量的能源消耗。

3、地源热泵技术应用经济性分析

该建筑所使用的地源热泵系统设计可以有效减低整个建筑的空调制冷和生活用水制热所需要消耗的能量，采用地源热泵系统设计，可以有效降低整个建筑供热和制冷所耗费的投资，达到了建筑节能设计和节约成本设计的目的。通过上节对某地实际项目的地源热泵系统设计和能耗统计分析发现，选用该体系具有一定的经济优势。比如，该体系选用地源热泵空调体系和生活热水体系。通过运行发现，地源热泵全年可以节约大量的能源，同时可以省去太阳能装置的设计，减少了成本的消耗。

4、结论

本文对建筑地源热泵的设计和经济分析是基于某地区实体项目进行的，通过分析地源热泵的运行机理，并借助实际案例说明，展现了地源热泵技术在节能方面的经济性和科学性。

参考文献：

[1]李铁，孙霞，王文礼.地源热泵经济性研究[J].山东建筑工程学院学报，2003，18（1）：23-26.

[2]振东. 逆卡诺循環中热量传导与守恒[J]. 科技风，2016，（01）：12.