地源热泵技术在暖通工程中的设计应用

黄代玉

（光大生态环境设计研究院有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

在社会经济发展速度不断提升，建筑行业领域发展规模持续扩大的背景下，暖通工程在建筑领域中的应用日益普遍，通过暖通工程的系统化、规模化应用，一方面显著改善了社会大众的生活质量，优化了大众的物质生活条件，另一方面也带来了较为严重的能源消耗问题，能源短缺形势仍然是非常严峻的。从这一角度上来说，围绕暖通工程中相关节能技术及其应用问题展开研究分析，有着非常重要的意义与价值。在诸多技术方案中，地源热泵技术表现出了良好的清洁性、能效性、经济性、可靠性以及稳定性特点，能够与暖通工程系统良好融合，可在一定程度上替代暖通工程对传统电力能源的消耗，因此值得关注。

1 地源热泵技术概述

暖通工程系统建设中所应用的地源热泵技术是指自一系列低水平热源材料（如地下水、地表水以及岩土体等在内）中获取能量，并在水源热泵机组、建筑内部系统以及地热能交换系统的作用下转换为可供暖通空调系统所使用的一种能源提取与转换系统[1]。受能源交换方式特殊性的影响，当前技术条件支持下的地源热泵系统技术可以按照地埋管式、地表水式以及地下水式等进行划分。但无论其系统表现形式如何，在暖通工程系统实践应用中，地源热泵技术均表现出了以下几个方面的应用特点与优势：

（1）清洁性。在地源热泵系统技术的应用过程当中，借助于电能将地下热量或者地表热量转换为暖通工程空调系统运行所需的能源，并面向其提供能源支持[2]。整个操作过程不涉及到能源燃烧或放热的情形，因此不会对周边环境产生较大污染与不良影响。更加关键的一点是，在地源热泵技术的干预下，省去了传统意义上建筑暖通工程外部挂机的设置，因此这种技术在实际应用期间污染较小，具有良好的清洁性。

（2）能效性。在当前技术条件支持下，地源热泵技术已经发展形成了一套较为完善的工作体系，作用于暖通空调系统工程中对提升其能源利用效率是非常关键的[3]。尤其对于平均气温较低的冬季，应用地源热泵技术能够使建筑室内温度维持在12~22℃的适宜区间范围内，供热期间能源可循环使用，这对于促进系统能效水平提升，控制能源损耗有重要意义。

（3）经济性。首先，从供热角度上来说，地源热泵技术供热功能的实现需要在很大程度上依赖于电能的持续性供应，因此能源消耗水平偏低，所投入经济成本较少，具有突出的经济性优势。除此以外，从暖通空调系统工程冷却角度上来说，相较于传统意义上的空调冷却系统，基于地源热泵技术所产生的冷却温度明显更低，制冷、供热费用较原系统下降30%。

（4）可靠性。在暖通空调工程系统应用地源热泵技术的过程中，管控功能的实现以计算机控制为依托，并面向操作人员提供远程监控支持，能够及时发现整套地源热泵系统在运行期间所存在的异常问题，并及时解决，对保障系统运行可靠性，预防安全隐患产生意义重大。

（5）稳定性。将地源热泵技术应用于暖通空调工程中，能够预防暖通工程受外部不良环境条件的干扰与不良影响，一方面实现对能源损耗的合理控制，另一方面有助于室内环境舒适度水平的提升[4]。通过对此项技术的应用，可以将建筑内部温度维持在10~25℃的适宜区间内，制冷、供热系数可维持在3.5~4.5区间内，从而确保系统整体运行的稳定性。

2 地源热泵系统组成

在深入研究地源热泵系统整体组成结构之后，会发现其主要是由压缩机、冷凝器、膨胀器、调节阀四个关键部件共同构建而成，其中压缩机是地源热泵整体结构中非常关键的一种部件，主要因为其是热传导的动力源；冷凝器和膨胀器是地源热泵吸热和放热的关键部件；调节阀则是地源热泵系统中的重要控制部件。一般状况下，都会将地源热泵系统分为两部分，主要包括地下部分和地上部分。

2.1 地下系统设计

考虑到地下系统是地源热泵系统充分发挥工作性能的重要保障，其充分发挥自身优势，能够制约地源热泵系统。

2.2 地上系统设计

对于地上系统而言，从整体角度出发研究，可知其主要包括地源热泵机房和空调末端系统。因为地源热泵设备的体系小于传统制冷机组，并且也能同时实现采暖功能。在此种状况下，不需要额外设置供暖设备，这样就能够有效节省制冷机房的占地面积和空间。在实际开展空调末端系统设计工作期间，能够发现该项设计工作与普通中央空调末端系统设计工作具有相似性，但是设计人员在实际落实设计工作时，也要格外注意地源热泵系统在夏季、冬季的进出水温度与传统形式下的中央空调主机的进出水温度是否存在比较显著的差异。比如：一旦发现与正常进出水的具体温度状况具有显著温差，就要第一时间向设备厂家核算和修正冷热量，否则此种问题就会对整体系统运行效果造成严重影响。

3 地源热泵技术设计

3.1 地源热泵设计要点

暖通空调工程系统末端可以根据风量进行分类，第一类为定风量系统，第二类为变风量系统。其中，前者设计方案简单，但在设备负荷水平下降的情况下需要遵循额定工况运行。受室内负荷水平变化因素的影响，室内空间温度水平有一定的起伏波动，除了会导致建筑室内人员体感不适以外，还会造成能源的消耗与浪费，不符合节能减排的基本原则[5]。而后者在很大程度上弥补了传统意义上定风量系统在空气调节方面的问题与不足，借助于对变风量箱的合理应用，实现灵活调节风量的目的，借助于此种方式来满足室内负荷水平需求，可以达到理想的节能减排效果。在当前技术条件支持下，基于地源热泵技术的暖通空调系统末端形式包括以下几种类型：

（1）风机盘管末端系统。基于风机盘管的采暖制热是地源热泵技术实际应用中一种常见的暖通空调末端系统。无论在采暖或制冷的过程中，冷热空气均自风机输送至室内，所取得的制冷以及采暖效果是非常明显的。

（2）风机盘管制冷与采暖地板末端系统。制冷状态下，冷空气自建筑室内空间上部向下部下沉；而采暖供热状态下，热空气自建筑室内空间下部向上部上升[6-8]。基于地板辐射的采暖系统兼具经济性以及高效性的应用优势，同时表现出了良好的舒适性，热源利用的可选择性众多，在夏季高温状态下基于风机盘管制冷，在冬季低温状态下基于地暖采暖制热。

（3）地板供暖与冷梁制冷末端系统。暖通工程领域中冷梁体制冷系统所具备的装置构成体系健全且成熟，但基于冷梁系统的制冷模式会对建筑室内空间湿度以及冷水温度提出的较高要求。为预防结露现象的发生，需要对建筑室内环境条件进行严格限制。

以某高层建筑暖通空调系统设计为例，相关计算软件显示该建筑结构主体夏季冷负荷峰值水平为610kW，冬季热负荷峰值为300kW，选用地源热泵技术作为该暖通空调系统冷热源以及生活热水热源。基于对该建筑负荷水平的分析，选定热泵机组制冷量为674kW，制热量为639kW，通过计算可知生活热水所需热量为352kW，另选一台制热量为395kW的热泵机组，热水进/出口温度为55℃/60℃，蒸发器进/出水温度为10℃/5℃，机组额定COP为3.3。两套系统全部采用闭式循环系统，膨胀水箱定压。

在地下埋管换热系统方案设计的过程当中，考虑到该建筑项目采用竖直土壤热交换器，换热管路埋置在竖直钻孔内。地埋管按建筑周边的草坪及空地位置，布置了6个长方形回路，共计88孔双U型地埋管。双U型管接管方案下可以根据建筑冷热负荷的变化来调整开启回路的个数，有利于空调系统的节能[9]。埋管采用高密度聚乙烯材料，管径为DN32，厚度为3mm，公称压力为1.6MPa。埋管间距为5m和4.5m，埋管的有效埋深为100m，管路之间采用的是同程并联式。供水环路的集管与回水环路集管的埋深为1.2m，且两者间距为0.6m。竖直埋管内每间隔5m设置一个支架，利于竖直埋管的固定。水平集管采用30mm厚橡塑保温材料保温，且应有不小于0.003的坡度，坡向机房处集管。

3.2 地源热泵施工过程

一是开展钻孔施工工作。在钻孔之前，工作人员要对施工现场进行勘测，并要结合其他专业知识与具体的施工经验，对施工现场进行综合研究。严格按照施工钻孔平面图的具体孔数、行距、面积等要求，保证钻孔施工符合标准要求。二是按照施工平面图的定位放线，依据排水与泥浆倒运工序，合理安排施工现场的土方、泥浆地、安全通道等位置。三是对于钻机的钻杆而言，一定要进行垂直钻孔，这样能够防止垂直偏差的钻杆对已经埋好的管道造成破坏。四是在钻孔的两孔之间，挖出500 mm的泥浆地，从而发挥作为钻井机在现场施工中的水循环载体的作用。五是在钻孔起劲时，安排质检人员核对钻孔与施工钻孔平面图之间的吻合状况，一旦发现存在偏差就要及时纠正调整。六是在完成钻孔施工之后，及时检查钻孔的深度和质量，并要做好各个环节的质量验收工作。七是防止出现钻孔塌方问题，如可以在钻孔期间灌入泥浆，并要对钻孔进行泥浆凝固护壁。

4 暖通工程设计中的地源热泵技术应用策略

暖通工程施工过程中较为常见的地源热泵技术包括地表水技术、地下水技术、地埋管技术，在这三项施工技术中应用了较高的一种技术就是地埋管技术。为了能够进一步突出暖通工程设计中的地源热泵技术科学性，将地埋管技术作为主要研究对象，细致分析其优势和应用策略。再将地源热泵技术与其他类型的采暖技术进行比较，具有非常显著的应用优势，具体表现为不仅能够促进建筑实现采暖，显著提升采暖舒适度，也能有效降低能源消耗量，甚至对于促进建筑行业向节能方向发展也具有重要意义。

4.1 钻孔施工

暖通工程在实际开展钻孔施工工作时，一定要时刻关注这项工作与其他工程之间的联系，防止在实际施工期间，对相连工程施工质量、施工安全、施工进度造成影响。例如：在实际开展钻孔工作期间，建筑中的电缆工程需要工作人员投入更多的时间和精力，并要全面掌握铺设分布的状况。这项工作的主要目的，就是避免电缆受到破坏，防止电缆影响钻孔施工。在正式钻孔期间，施工面积这项因素不能忽视，其会决定钻孔的孔数。先是精准确定施工面积，在开展钻孔定位工作时确定好每一个钻孔的位置；同时钻孔过程中，也要保证钻杆处于垂直状态，进而防止对别的工程设备造成破坏。

4.2 预组装施工

暖通工程在应用地源热泵技术过程中，需要着重关注管道材料选择、进场之后材料堆放等多项问题。对于管材而言，一定要妥善放置和保存，如可以在比较平整的地方成箱堆放，并且实际堆放的高度，也一定要保持在2m之内，否则极易产生挤压问题，进而就使得管材出现变形问题，严重一些还会影响施工进度。

以HDPE管为例进行分析，一旦在阳光底下暴晒，就会对HDPE管的质量和应用效果造成影响；在实际开展遮盖工作期间，一定要保证各项操作符合标准要求，这样有助于提升地源热泵预组装质量。在施工现场开展预组装工作期间，需要关注HDPE管的具体状况，特别是热熔管头的清洁问题不能忽视。如果发现其管径是在De50以下，就要将旋转切刀作为主要的切割工具；对于管径为De50以上管材而言，就要将手工木工锯作为主要的切割工具。在完成HDPE管地面连接工作之后，施工人员就要严格按照标准要求实施管道试压，只有在保证试验处于合格状况之后，才能落实埋管工作。在完成回填工作之后，还要再次开展管道试压工作，在处于合理状态之后，可以连接水平干管。完成连接工作后再次试压管道， 同样是在合格之后实施回填土，直到完成总管连接工作，再实施系统试压。

4.3 下管施工

在实际开展下管施工这项工作期间，要求施工人员做好自身本职工作，真正做到及时下管，如完成钻孔工作之后，就要第一时间下管。主要就是因为钻孔内部的挤压状况，会随着下管时间的延长，变得更加严重，无形中就会增加下管难度。基于此，为了能够进一步提升施工效果，一般状况下都会将预制砼导头下井施工方式作为主要的施工方法。比如：在完成预制导头这项工作之后，落实组织试压这项工作。通常导头直径大小在四根HDPE管和钻孔之间，按照导头以及管道的重量等多项因素，做好下井工作。除此之外，在下井过程中还要防止管道发生拖拉问题、非自然完全的状况以及角度问题。

5 结论

暖通空调工程是当前建筑领域非常核心的系统配件之一，加强对其设计工作的重视，严格贯彻落实节能减排工作理念，对地源热泵技术进行合理且高效的应用，能够在确保系统运转正常的前提条件下，最大限度减轻暖通空调系统运行对生态环境所产生的不良影响，对整个建筑行业领域的可持续性发展是非常有利的。在对地源热泵技术进行研究之后，不难发现这种技术属于可再生能源综合利用的范畴。结合建筑暖通空调工程施工建设要求，正确应用地源热泵技术，不仅能够达到节能减排目的，也能保证实际落实的施工建设工作符合行业标准，能够创造更多效益。我国大部分的暖通工程现阶段都已经使用了地源热泵技术，地埋管地源热泵技术的应用效率最高，应充分发挥其应用作用，推动我国暖通工程长远发展。