地源热泵技术在暖通空调节能中的应用研究

周姣

（天水师范学院，甘肃天水 741001）

0 引言

目前我国能源储备正处于较为紧张的情况之下，而暖通空调系统作为当前建筑当中不可或缺的重要部分，在其运行的过程中需要消耗大量的能源，在此情况之下，对暖通空调进行节能设计是十分有必要的。而地源热泵技术作为一种可再生能源，不仅有较好的稳定性，而且节能作用也十分突出，将其应用在暖通空调设计当中能够有效发挥其节能作用。

1 地源热泵技术概述

1.1 原理

地源热泵是一种浅层地下热能资源，相比传统燃煤锅炉供热形式，地源热泵不仅有较好的供热制冷效果，而且其节能环保方面也有极大的优势。在实际应用该技术的过程中，通过输入少量高品位能源，以此实现能量从低温热源向高温热源的转移。在冬天需要供暖的季节里，通过地源热泵技术将土壤中存储的热能“提取”出来，用以向室内供热，在夏天需要制冷的季节里，再将室内的热量导入土壤，不仅能够实现室内制冷，而且还能够通过热量的转移使地下土壤的温度始终处于较为均衡的状态。正常情况下，热能都是由高温转向低温的，但是在地源热泵系统中则是由低温转向高温，因此该技术其本质实际上就是一种热量提升技术，在土壤中原有温度的基础上，进行提温以此达到节能的效果。地源热泵系统原理如图1 所示。

1.2 优势

图1 地图源热泵系统

地源热泵技术的应用优势包括以下几个方面：①节能环保，地源热泵作为一种地下浅层资源，是一种可再生能源，在实际应用的过程中不会由于这种能源的消耗而给生态环境带来严重地影响。除此之外，地源热泵主要来源于大地，通过科学利用地表浅层地热资源，能够有效实现制冷和供热功能，这种能源对于区域、时间方面的限制相对较小，而且其存在的范围也十分广泛，为该技术的应用提供极大的便利；最后，地源热泵技术的科学应用，极大地降低能源的消耗，即便在实际运行的过程中，需要使用电能等其他能源进行辅助，但是地热本身具备一定热量，因此比传统电锅炉加热形式更节能，实际运行的费用也更少；②运行成本更低，不仅其能源消耗较少导致运行费用更少，而且将该技术的设备维修次数以及维修费用都相对较少，设备使用寿命较长，因此该技术的应用成本相对较低；③在进行暖通空调设计的过程中，地源热泵系统主要设置在地下，相比传统设备，地源热泵系统受到的环境影响相对较小，因此空调运行的稳定性也就相对更高。

1.3 分类

常用的地源热泵主要包括以下几种类型：①土壤源热泵，该系统是通过将换热器安置在地下，实现与大地的热量交换，在循环液的作用之下，完成系统和大地之间的热量传递，在供热季节，系统会将大地中储存的热能带到空调系统中进行供热，在制冷的季节，系统则需要进行反向运行，将室内的热量带到地下；②地下水源热泵，该系统是通过一侧将井中的地下水抽取出来，然后另外一侧会与热泵机组连接进而实现能量交换，目前地下水源热泵主要采用的是双井系统，其中一个负责抽水，另一个负责回灌，相比土壤源热泵而言，这种方式不仅占地面积更小，而且成本较低，但是对于水处理有着严格地要求；③地表水源热泵，其主要的热量来源是池塘、湖泊等地表水，寒冷地区气温较低，因此适用于闭路系统，该系统的主要问题在于容易受到外界环境影响[1]。

2 暖通空调节能设计中地源热泵技术的实际应用

2.1 工程概况

本文以上海静安区一住宅小区暖通空调设计安装工程为例，该小区占地面积一共90 亩，总建筑面积12.3 万m2。周围有住宅区、娱乐区、商业区、学校等，生活交通都较为便利，基础设施健全，因此小区入住率相对较高，小区内房屋设计坐北朝南，空气流通情况以及光照情况都相对较好。该地区气候分明，降雨均匀，温暖湿润，7、8 月气温最高，平均温度在35℃以上的约有20d，最低气温在0℃左右，时间为1 月下旬至2 月初期间，寒冷天气相对较少，通常在3d 左右。

2.2 建筑物周围环境勘察

在进行暖通空调设计之前，为进一步保障设计的科学性以及合理性，需要先对当地环境以及周围情况等进行勘察，不仅要保障建筑物的功能完整，还需要了解建筑周围的地质环境以及水文信息。一方面，要针对该小区建筑物的结构、设计等进行详细了解，保障暖通空调设计的合理性；另一方面，还需要了解建筑面积、当地的地形环境、地貌特征以及周围建筑等，避免受外界环境因素影响地源热泵暖通空调的设计和施工。

2.3 地下岩土热物性参数检测

在应用地源热泵技术的过程中，其主要应用的就是当地土壤、地表水或者地下水的热能，因此，为确保后续地源热泵换热器设计的合理性，需要对施工场地的地下岩土热物性参数进行检测和分析，以此保障后续设计可靠，减少负荷问题或者设计规模等导致的资源浪费。在实际进行检测分析的过程中，不仅可以通过钻孔取样的方式进行检测，还能够结合目前已有的地质资料等推断导热系数的范围。除此之外，为进一步保障相关数据检测的准确性以及可靠性，可以在实际检测过程中，借助相应设备按照一定操作把单孔换热器与恒温恒流循环热源系统连接到一起，并对水流量、进出水的温度及系统运转时间等信息进行记录[2]。

2.4 相关参数的计算和分析

在实际进行地源热泵暖通空调设计的过程中，需要结合上述检测、勘察到的数据进行后续设计，此外，还需要对设计过程中所需要的相关参数进行计算和分析。需要重点计算的参数为冷热负荷，冷热负荷影响着施工投资预算，因此准确计算冷热负荷是十分重要的，此外，在进行计算的过程中，不仅要充分参考建筑结构特点，还需要考虑到周围环境影响，此外室内照明热量、人体热量和湿量的散发等各种可能影响到室内温度和湿度的因素都需要进行合理参考，确保冷热负荷计算的可靠性以及准确性。

在本工程项目中，按照上海市暖通节能空调运行标准展开计算。通过对上述影响因素的考量和分析之后，确定在夏季冷功率为60W/m2，总冷功率为 60W/m2×94400m2=5664kW，冬季热功率为50W/m2，经计算冬季总热功率为4720kW，结合实际情况以及夏季和冬季室内环境标准，分别计算出夏季和冬季单位面积年消耗电能，在通过对各方面考量之后，按照80%计算，最后得出本工程项目中夏季的总冷功率为4531.2kW，冬季总热功率为3776.0kW。

除了要对系统总冷热负荷进行计算之外，还需要对整个小区的热水用量进行分析。对小区进行统计发现，该小区每天每平方米最大用水量为92t，按照658 户住户计算，平均每户每天热水用量为139.8L。晚上8~11 点间、早上6~8 点间为热水消耗高峰时期。

2.5 空调主机的选择

在选择空调主机的过程中，按照上述计算得到夏季总冷功率和冬季总热功率进行计算分析，结合实际情况，该工程拟设置两个空调主机房。为满足工程设计要求以及用户需求，选用大型螺杆式土壤源热泵机组SM（D）-160LR。

这种热泵机组有较强的制冷功能，而且对于土地空间的需求相对较小。在实际进行空调系统设计的过程中，虽然这种热泵机组前期投入较大，但实际上在后期运行的过程中，不仅能量转化率较高，而且维护费用相对较低，因此，从整体上来看便于对空调系统进行成本控制。在本工程项目中，4 台热泵机组中，三台投入运行，一台作为备用设备，以确保空调系统的稳定运行。

2.6 地埋管设计

地埋管热泵系统主要包括水平式土壤热唤起、垂直式U 型土壤换热器、垂直套管式土壤换热器以及热晶石土壤热唤起集中类型。结合本项目工程的实际情况和需求，选择了竖直双U 型埋管形式，在实际进行安装时需要符合以下参数要求，钻孔距离4.5m，孔深120m，孔径160cm，单个井占地25m2。地上管道部分需要使用粗砂进行敷设，为保障工程质量，避免管道破损，需要在敷设之前进行筛分操作，并做好相应的保护措施[3]。

3 结语

综上所述，在应用地源热泵技术进行暖通空调设计的过程中，需要先对周围环境进行勘察，检测地下岩土热物性，然后再结合实际情况对系统总冷热负荷和热水用量进行计算分析，最后选择空调主机并进行地埋管的设计。地源热泵作为当前较为环保的可再生能源，在节能减排方面有极大的优势，相信随着该技术的应用，我国暖通空调的节能效果将会得到进一步改善。