地源熱泵技術在暖通空調節能中的應用研究

周姣

（天水師范學院，甘肅天水 741001）

0 引言

目前我國能源儲備正處于較為緊張的情況之下，而暖通空調系統作為當前建筑當中不可或缺的重要部分，在其運行的過程中需要消耗大量的能源，在此情況之下，對暖通空調進行節能設計是十分有必要的。而地源熱泵技術作為一種可再生能源，不僅有較好的穩定性，而且節能作用也十分突出，將其應用在暖通空調設計當中能夠有效發揮其節能作用。

1 地源熱泵技術概述

1.1 原理

地源熱泵是一種淺層地下熱能資源，相比傳統燃煤鍋爐供熱形式，地源熱泵不僅有較好的供熱制冷效果，而且其節能環保方面也有極大的優勢。在實際應用該技術的過程中，通過輸入少量高品位能源，以此實現能量從低溫熱源向高溫熱源的轉移。在冬天需要供暖的季節里，通過地源熱泵技術將土壤中存儲的熱能“提取”出來，用以向室內供熱，在夏天需要制冷的季節里，再將室內的熱量導入土壤，不僅能夠實現室內制冷，而且還能夠通過熱量的轉移使地下土壤的溫度始終處于較為均衡的狀態。正常情況下，熱能都是由高溫轉向低溫的，但是在地源熱泵系統中則是由低溫轉向高溫，因此該技術其本質實際上就是一種熱量提升技術，在土壤中原有溫度的基礎上，進行提溫以此達到節能的效果。地源熱泵系統原理如圖1 所示。

1.2 優勢

圖1 地圖源熱泵系統

地源熱泵技術的應用優勢包括以下幾個方面：①節能環保，地源熱泵作為一種地下淺層資源，是一種可再生能源，在實際應用的過程中不會由于這種能源的消耗而給生態環境帶來嚴重地影響。除此之外，地源熱泵主要來源于大地，通過科學利用地表淺層地熱資源，能夠有效實現制冷和供熱功能，這種能源對于區域、時間方面的限制相對較小，而且其存在的范圍也十分廣泛，為該技術的應用提供極大的便利；最后，地源熱泵技術的科學應用，極大地降低能源的消耗，即便在實際運行的過程中，需要使用電能等其他能源進行輔助，但是地熱本身具備一定熱量，因此比傳統電鍋爐加熱形式更節能，實際運行的費用也更少；②運行成本更低，不僅其能源消耗較少導致運行費用更少，而且將該技術的設備維修次數以及維修費用都相對較少，設備使用壽命較長，因此該技術的應用成本相對較低；③在進行暖通空調設計的過程中，地源熱泵系統主要設置在地下，相比傳統設備，地源熱泵系統受到的環境影響相對較小，因此空調運行的穩定性也就相對更高。

1.3 分類

常用的地源熱泵主要包括以下幾種類型：①土壤源熱泵，該系統是通過將換熱器安置在地下，實現與大地的熱量交換，在循環液的作用之下，完成系統和大地之間的熱量傳遞，在供熱季節，系統會將大地中儲存的熱能帶到空調系統中進行供熱，在制冷的季節，系統則需要進行反向運行，將室內的熱量帶到地下；②地下水源熱泵，該系統是通過一側將井中的地下水抽取出來，然后另外一側會與熱泵機組連接進而實現能量交換，目前地下水源熱泵主要采用的是雙井系統，其中一個負責抽水，另一個負責回灌，相比土壤源熱泵而言，這種方式不僅占地面積更小，而且成本較低，但是對于水處理有著嚴格地要求；③地表水源熱泵，其主要的熱量來源是池塘、湖泊等地表水，寒冷地區氣溫較低，因此適用于閉路系統，該系統的主要問題在于容易受到外界環境影響[1]。

2 暖通空調節能設計中地源熱泵技術的實際應用

2.1 工程概況

本文以上海靜安區一住宅小區暖通空調設計安裝工程為例，該小區占地面積一共90 畝，總建筑面積12.3 萬m2。周圍有住宅區、娛樂區、商業區、學校等，生活交通都較為便利，基礎設施健全，因此小區入住率相對較高，小區內房屋設計坐北朝南，空氣流通情況以及光照情況都相對較好。該地區氣候分明，降雨均勻，溫暖濕潤，7、8 月氣溫最高，平均溫度在35℃以上的約有20d，最低氣溫在0℃左右，時間為1 月下旬至2 月初期間，寒冷天氣相對較少，通常在3d 左右。

2.2 建筑物周圍環境勘察

在進行暖通空調設計之前，為進一步保障設計的科學性以及合理性，需要先對當地環境以及周圍情況等進行勘察，不僅要保障建筑物的功能完整，還需要了解建筑周圍的地質環境以及水文信息。一方面，要針對該小區建筑物的結構、設計等進行詳細了解，保障暖通空調設計的合理性；另一方面，還需要了解建筑面積、當地的地形環境、地貌特征以及周圍建筑等，避免受外界環境因素影響地源熱泵暖通空調的設計和施工。

2.3 地下巖土熱物性參數檢測

在應用地源熱泵技術的過程中，其主要應用的就是當地土壤、地表水或者地下水的熱能，因此，為確保后續地源熱泵換熱器設計的合理性，需要對施工場地的地下巖土熱物性參數進行檢測和分析，以此保障后續設計可靠，減少負荷問題或者設計規模等導致的資源浪費。在實際進行檢測分析的過程中，不僅可以通過鉆孔取樣的方式進行檢測，還能夠結合目前已有的地質資料等推斷導熱系數的范圍。除此之外，為進一步保障相關數據檢測的準確性以及可靠性，可以在實際檢測過程中，借助相應設備按照一定操作把單孔換熱器與恒溫恒流循環熱源系統連接到一起，并對水流量、進出水的溫度及系統運轉時間等信息進行記錄[2]。

2.4 相關參數的計算和分析

在實際進行地源熱泵暖通空調設計的過程中，需要結合上述檢測、勘察到的數據進行后續設計，此外，還需要對設計過程中所需要的相關參數進行計算和分析。需要重點計算的參數為冷熱負荷，冷熱負荷影響著施工投資預算，因此準確計算冷熱負荷是十分重要的，此外，在進行計算的過程中，不僅要充分參考建筑結構特點，還需要考慮到周圍環境影響，此外室內照明熱量、人體熱量和濕量的散發等各種可能影響到室內溫度和濕度的因素都需要進行合理參考，確保冷熱負荷計算的可靠性以及準確性。

在本工程項目中，按照上海市暖通節能空調運行標準展開計算。通過對上述影響因素的考量和分析之后，確定在夏季冷功率為60W/m2，總冷功率為 60W/m2×94400m2=5664kW，冬季熱功率為50W/m2，經計算冬季總熱功率為4720kW，結合實際情況以及夏季和冬季室內環境標準，分別計算出夏季和冬季單位面積年消耗電能，在通過對各方面考量之后，按照80%計算，最后得出本工程項目中夏季的總冷功率為4531.2kW，冬季總熱功率為3776.0kW。

除了要對系統總冷熱負荷進行計算之外，還需要對整個小區的熱水用量進行分析。對小區進行統計發現，該小區每天每平方米最大用水量為92t，按照658 戶住戶計算，平均每戶每天熱水用量為139.8L。晚上8~11 點間、早上6~8 點間為熱水消耗高峰時期。

2.5 空調主機的選擇

在選擇空調主機的過程中，按照上述計算得到夏季總冷功率和冬季總熱功率進行計算分析，結合實際情況，該工程擬設置兩個空調主機房。為滿足工程設計要求以及用戶需求，選用大型螺桿式土壤源熱泵機組SM（D）-160LR。

這種熱泵機組有較強的制冷功能，而且對于土地空間的需求相對較小。在實際進行空調系統設計的過程中，雖然這種熱泵機組前期投入較大，但實際上在后期運行的過程中，不僅能量轉化率較高，而且維護費用相對較低，因此，從整體上來看便于對空調系統進行成本控制。在本工程項目中，4 臺熱泵機組中，三臺投入運行，一臺作為備用設備，以確保空調系統的穩定運行。

2.6 地埋管設計

地埋管熱泵系統主要包括水平式土壤熱喚起、垂直式U 型土壤換熱器、垂直套管式土壤換熱器以及熱晶石土壤熱喚起集中類型。結合本項目工程的實際情況和需求，選擇了豎直雙U 型埋管形式，在實際進行安裝時需要符合以下參數要求，鉆孔距離4.5m，孔深120m，孔徑160cm，單個井占地25m2。地上管道部分需要使用粗砂進行敷設，為保障工程質量，避免管道破損，需要在敷設之前進行篩分操作，并做好相應的保護措施[3]。

3 結語

綜上所述，在應用地源熱泵技術進行暖通空調設計的過程中，需要先對周圍環境進行勘察，檢測地下巖土熱物性，然后再結合實際情況對系統總冷熱負荷和熱水用量進行計算分析，最后選擇空調主機并進行地埋管的設計。地源熱泵作為當前較為環保的可再生能源，在節能減排方面有極大的優勢，相信隨著該技術的應用，我國暖通空調的節能效果將會得到進一步改善。