地源熱泵技術在暖通工程中的設計應用

黃代玉

（光大生態環境設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

在社會經濟發展速度不斷提升，建筑行業領域發展規模持續擴大的背景下，暖通工程在建筑領域中的應用日益普遍，通過暖通工程的系統化、規模化應用，一方面顯著改善了社會大眾的生活質量，優化了大眾的物質生活條件，另一方面也帶來了較為嚴重的能源消耗問題，能源短缺形勢仍然是非常嚴峻的。從這一角度上來說，圍繞暖通工程中相關節能技術及其應用問題展開研究分析，有著非常重要的意義與價值。在諸多技術方案中，地源熱泵技術表現出了良好的清潔性、能效性、經濟性、可靠性以及穩定性特點，能夠與暖通工程系統良好融合，可在一定程度上替代暖通工程對傳統電力能源的消耗，因此值得關注。

1 地源熱泵技術概述

暖通工程系統建設中所應用的地源熱泵技術是指自一系列低水平熱源材料（如地下水、地表水以及巖土體等在內）中獲取能量，并在水源熱泵機組、建筑內部系統以及地熱能交換系統的作用下轉換為可供暖通空調系統所使用的一種能源提取與轉換系統[1]。受能源交換方式特殊性的影響，當前技術條件支持下的地源熱泵系統技術可以按照地埋管式、地表水式以及地下水式等進行劃分。但無論其系統表現形式如何，在暖通工程系統實踐應用中，地源熱泵技術均表現出了以下幾個方面的應用特點與優勢：

（1）清潔性。在地源熱泵系統技術的應用過程當中，借助于電能將地下熱量或者地表熱量轉換為暖通工程空調系統運行所需的能源，并面向其提供能源支持[2]。整個操作過程不涉及到能源燃燒或放熱的情形，因此不會對周邊環境產生較大污染與不良影響。更加關鍵的一點是，在地源熱泵技術的干預下，省去了傳統意義上建筑暖通工程外部掛機的設置，因此這種技術在實際應用期間污染較小，具有良好的清潔性。

（2）能效性。在當前技術條件支持下，地源熱泵技術已經發展形成了一套較為完善的工作體系，作用于暖通空調系統工程中對提升其能源利用效率是非常關鍵的[3]。尤其對于平均氣溫較低的冬季，應用地源熱泵技術能夠使建筑室內溫度維持在12~22℃的適宜區間范圍內，供熱期間能源可循環使用，這對于促進系統能效水平提升，控制能源損耗有重要意義。

（3）經濟性。首先，從供熱角度上來說，地源熱泵技術供熱功能的實現需要在很大程度上依賴于電能的持續性供應，因此能源消耗水平偏低，所投入經濟成本較少，具有突出的經濟性優勢。除此以外，從暖通空調系統工程冷卻角度上來說，相較于傳統意義上的空調冷卻系統，基于地源熱泵技術所產生的冷卻溫度明顯更低，制冷、供熱費用較原系統下降30%。

（4）可靠性。在暖通空調工程系統應用地源熱泵技術的過程中，管控功能的實現以計算機控制為依托，并面向操作人員提供遠程監控支持，能夠及時發現整套地源熱泵系統在運行期間所存在的異常問題，并及時解決，對保障系統運行可靠性，預防安全隱患產生意義重大。

（5）穩定性。將地源熱泵技術應用于暖通空調工程中，能夠預防暖通工程受外部不良環境條件的干擾與不良影響，一方面實現對能源損耗的合理控制，另一方面有助于室內環境舒適度水平的提升[4]。通過對此項技術的應用，可以將建筑內部溫度維持在10~25℃的適宜區間內，制冷、供熱系數可維持在3.5~4.5區間內，從而確保系統整體運行的穩定性。

2 地源熱泵系統組成

在深入研究地源熱泵系統整體組成結構之后，會發現其主要是由壓縮機、冷凝器、膨脹器、調節閥四個關鍵部件共同構建而成，其中壓縮機是地源熱泵整體結構中非常關鍵的一種部件，主要因為其是熱傳導的動力源；冷凝器和膨脹器是地源熱泵吸熱和放熱的關鍵部件；調節閥則是地源熱泵系統中的重要控制部件。一般狀況下，都會將地源熱泵系統分為兩部分，主要包括地下部分和地上部分。

2.1 地下系統設計

考慮到地下系統是地源熱泵系統充分發揮工作性能的重要保障，其充分發揮自身優勢，能夠制約地源熱泵系統。

2.2 地上系統設計

對于地上系統而言，從整體角度出發研究，可知其主要包括地源熱泵機房和空調末端系統。因為地源熱泵設備的體系小于傳統制冷機組，并且也能同時實現采暖功能。在此種狀況下，不需要額外設置供暖設備，這樣就能夠有效節省制冷機房的占地面積和空間。在實際開展空調末端系統設計工作期間，能夠發現該項設計工作與普通中央空調末端系統設計工作具有相似性，但是設計人員在實際落實設計工作時，也要格外注意地源熱泵系統在夏季、冬季的進出水溫度與傳統形式下的中央空調主機的進出水溫度是否存在比較顯著的差異。比如：一旦發現與正常進出水的具體溫度狀況具有顯著溫差，就要第一時間向設備廠家核算和修正冷熱量，否則此種問題就會對整體系統運行效果造成嚴重影響。

3 地源熱泵技術設計

3.1 地源熱泵設計要點

暖通空調工程系統末端可以根據風量進行分類，第一類為定風量系統，第二類為變風量系統。其中，前者設計方案簡單，但在設備負荷水平下降的情況下需要遵循額定工況運行。受室內負荷水平變化因素的影響，室內空間溫度水平有一定的起伏波動，除了會導致建筑室內人員體感不適以外，還會造成能源的消耗與浪費，不符合節能減排的基本原則[5]。而后者在很大程度上彌補了傳統意義上定風量系統在空氣調節方面的問題與不足，借助于對變風量箱的合理應用，實現靈活調節風量的目的，借助于此種方式來滿足室內負荷水平需求，可以達到理想的節能減排效果。在當前技術條件支持下，基于地源熱泵技術的暖通空調系統末端形式包括以下幾種類型：

（1）風機盤管末端系統。基于風機盤管的采暖制熱是地源熱泵技術實際應用中一種常見的暖通空調末端系統。無論在采暖或制冷的過程中，冷熱空氣均自風機輸送至室內，所取得的制冷以及采暖效果是非常明顯的。

（2）風機盤管制冷與采暖地板末端系統。制冷狀態下，冷空氣自建筑室內空間上部向下部下沉；而采暖供熱狀態下，熱空氣自建筑室內空間下部向上部上升[6-8]。基于地板輻射的采暖系統兼具經濟性以及高效性的應用優勢，同時表現出了良好的舒適性，熱源利用的可選擇性眾多，在夏季高溫狀態下基于風機盤管制冷，在冬季低溫狀態下基于地暖采暖制熱。

（3）地板供暖與冷梁制冷末端系統。暖通工程領域中冷梁體制冷系統所具備的裝置構成體系健全且成熟，但基于冷梁系統的制冷模式會對建筑室內空間濕度以及冷水溫度提出的較高要求。為預防結露現象的發生，需要對建筑室內環境條件進行嚴格限制。

以某高層建筑暖通空調系統設計為例，相關計算軟件顯示該建筑結構主體夏季冷負荷峰值水平為610kW，冬季熱負荷峰值為300kW，選用地源熱泵技術作為該暖通空調系統冷熱源以及生活熱水熱源。基于對該建筑負荷水平的分析，選定熱泵機組制冷量為674kW，制熱量為639kW，通過計算可知生活熱水所需熱量為352kW，另選一臺制熱量為395kW的熱泵機組，熱水進/出口溫度為55℃/60℃，蒸發器進/出水溫度為10℃/5℃，機組額定COP為3.3。兩套系統全部采用閉式循環系統，膨脹水箱定壓。

在地下埋管換熱系統方案設計的過程當中，考慮到該建筑項目采用豎直土壤熱交換器，換熱管路埋置在豎直鉆孔內。地埋管按建筑周邊的草坪及空地位置，布置了6個長方形回路，共計88孔雙U型地埋管。雙U型管接管方案下可以根據建筑冷熱負荷的變化來調整開啟回路的個數，有利于空調系統的節能[9]。埋管采用高密度聚乙烯材料，管徑為DN32，厚度為3mm，公稱壓力為1.6MPa。埋管間距為5m和4.5m，埋管的有效埋深為100m，管路之間采用的是同程并聯式。供水環路的集管與回水環路集管的埋深為1.2m，且兩者間距為0.6m。豎直埋管內每間隔5m設置一個支架，利于豎直埋管的固定。水平集管采用30mm厚橡塑保溫材料保溫，且應有不小于0.003的坡度，坡向機房處集管。

3.2 地源熱泵施工過程

一是開展鉆孔施工工作。在鉆孔之前，工作人員要對施工現場進行勘測，并要結合其他專業知識與具體的施工經驗，對施工現場進行綜合研究。嚴格按照施工鉆孔平面圖的具體孔數、行距、面積等要求，保證鉆孔施工符合標準要求。二是按照施工平面圖的定位放線，依據排水與泥漿倒運工序，合理安排施工現場的土方、泥漿地、安全通道等位置。三是對于鉆機的鉆桿而言，一定要進行垂直鉆孔，這樣能夠防止垂直偏差的鉆桿對已經埋好的管道造成破壞。四是在鉆孔的兩孔之間，挖出500 mm的泥漿地，從而發揮作為鉆井機在現場施工中的水循環載體的作用。五是在鉆孔起勁時，安排質檢人員核對鉆孔與施工鉆孔平面圖之間的吻合狀況，一旦發現存在偏差就要及時糾正調整。六是在完成鉆孔施工之后，及時檢查鉆孔的深度和質量，并要做好各個環節的質量驗收工作。七是防止出現鉆孔塌方問題，如可以在鉆孔期間灌入泥漿，并要對鉆孔進行泥漿凝固護壁。

4 暖通工程設計中的地源熱泵技術應用策略

暖通工程施工過程中較為常見的地源熱泵技術包括地表水技術、地下水技術、地埋管技術，在這三項施工技術中應用了較高的一種技術就是地埋管技術。為了能夠進一步突出暖通工程設計中的地源熱泵技術科學性，將地埋管技術作為主要研究對象，細致分析其優勢和應用策略。再將地源熱泵技術與其他類型的采暖技術進行比較，具有非常顯著的應用優勢，具體表現為不僅能夠促進建筑實現采暖，顯著提升采暖舒適度，也能有效降低能源消耗量，甚至對于促進建筑行業向節能方向發展也具有重要意義。

4.1 鉆孔施工

暖通工程在實際開展鉆孔施工工作時，一定要時刻關注這項工作與其他工程之間的聯系，防止在實際施工期間，對相連工程施工質量、施工安全、施工進度造成影響。例如：在實際開展鉆孔工作期間，建筑中的電纜工程需要工作人員投入更多的時間和精力，并要全面掌握鋪設分布的狀況。這項工作的主要目的，就是避免電纜受到破壞，防止電纜影響鉆孔施工。在正式鉆孔期間，施工面積這項因素不能忽視，其會決定鉆孔的孔數。先是精準確定施工面積，在開展鉆孔定位工作時確定好每一個鉆孔的位置；同時鉆孔過程中，也要保證鉆桿處于垂直狀態，進而防止對別的工程設備造成破壞。

4.2 預組裝施工

暖通工程在應用地源熱泵技術過程中，需要著重關注管道材料選擇、進場之后材料堆放等多項問題。對于管材而言，一定要妥善放置和保存，如可以在比較平整的地方成箱堆放，并且實際堆放的高度，也一定要保持在2m之內，否則極易產生擠壓問題，進而就使得管材出現變形問題，嚴重一些還會影響施工進度。

以HDPE管為例進行分析，一旦在陽光底下暴曬，就會對HDPE管的質量和應用效果造成影響；在實際開展遮蓋工作期間，一定要保證各項操作符合標準要求，這樣有助于提升地源熱泵預組裝質量。在施工現場開展預組裝工作期間，需要關注HDPE管的具體狀況，特別是熱熔管頭的清潔問題不能忽視。如果發現其管徑是在De50以下，就要將旋轉切刀作為主要的切割工具；對于管徑為De50以上管材而言，就要將手工木工鋸作為主要的切割工具。在完成HDPE管地面連接工作之后，施工人員就要嚴格按照標準要求實施管道試壓，只有在保證試驗處于合格狀況之后，才能落實埋管工作。在完成回填工作之后，還要再次開展管道試壓工作，在處于合理狀態之后，可以連接水平干管。完成連接工作后再次試壓管道， 同樣是在合格之后實施回填土，直到完成總管連接工作，再實施系統試壓。

4.3 下管施工

在實際開展下管施工這項工作期間，要求施工人員做好自身本職工作，真正做到及時下管，如完成鉆孔工作之后，就要第一時間下管。主要就是因為鉆孔內部的擠壓狀況，會隨著下管時間的延長，變得更加嚴重，無形中就會增加下管難度。基于此，為了能夠進一步提升施工效果，一般狀況下都會將預制砼導頭下井施工方式作為主要的施工方法。比如：在完成預制導頭這項工作之后，落實組織試壓這項工作。通常導頭直徑大小在四根HDPE管和鉆孔之間，按照導頭以及管道的重量等多項因素，做好下井工作。除此之外，在下井過程中還要防止管道發生拖拉問題、非自然完全的狀況以及角度問題。

5 結論

暖通空調工程是當前建筑領域非常核心的系統配件之一，加強對其設計工作的重視，嚴格貫徹落實節能減排工作理念，對地源熱泵技術進行合理且高效的應用，能夠在確保系統運轉正常的前提條件下，最大限度減輕暖通空調系統運行對生態環境所產生的不良影響，對整個建筑行業領域的可持續性發展是非常有利的。在對地源熱泵技術進行研究之后，不難發現這種技術屬于可再生能源綜合利用的范疇。結合建筑暖通空調工程施工建設要求，正確應用地源熱泵技術，不僅能夠達到節能減排目的，也能保證實際落實的施工建設工作符合行業標準，能夠創造更多效益。我國大部分的暖通工程現階段都已經使用了地源熱泵技術，地埋管地源熱泵技術的應用效率最高，應充分發揮其應用作用，推動我國暖通工程長遠發展。