暖通空調設計中地源熱泵的應用研究

冰 雪

(中國市政工程東北設計研究總院有限公司，吉林 長春 130000)

建筑中的暖通空調是建筑行業的基礎設施，不僅可以為人們提供舒適方便的生活條件，而且還可以很大程度上減少能源浪費，更有利于新型清潔能源的推廣應用。

1 地源熱泵的概念闡述

在暖通空調設計的過程中，其中所包含的地源熱泵，具體是指將空調系統中的冷凝裝置或者蒸發裝置安裝在樓宇地下，然后通過土壤或者水來實現熱源的有效交換，從而使得地源熱泵能夠在高氣溫天氣情況下實現熱能的有效儲存，在冬季就可以用儲存的這部分能源來為建筑進行供暖。同時，在寒冷的天氣情況下可以通過地源熱泵來對冷能進行儲存，到了夏季可以將儲存的這部分冷能用來制冷降溫。總的來說，地源熱泵主要是從大地中吸收能量，所以，通過設計這一系統，能夠降低暖通空調的能源效果，對于生態環保是非常有利的。

2 地源熱泵的結構原理闡述

在地源熱泵系統中，主要包括了通風、暖風、制冷、除濕、過濾和加濕系統，在整個制冷系統中所應用的原理是對冷卻熱交換裝置進行應用，通過鼓風機將這部分空氣吹入到室內當中，從而在達到通風效果的同時，也實現了制冷。一旦室內含有大量的水分，那么通過蒸發裝置來進行冷卻，實現空氣中水分的冷凝，進而達到除濕的效果。暖風系統主要用來對室內進行除霜和取暖，地源熱泵系統是通過對地下熱量的應用來使得溫度獲得提升，通風系統的主要作用是抽入建筑外面的新鮮空氣，從而實現室內的通風。對于地源熱泵而言，所具有的工作原理大體相同，就是通過人工的方式來為建筑創造一個更加適合人們生活和居住的環境。在天氣較為炎熱時可以采用制冷的措施來降低室內溫度，制冷方法有很多種，熱泵制冷主要是利用做功的方式來制冷降溫。在寒冷的天氣下主要是將大地作為熱源，從而為室內提供熱量。

3 暖通空調設計的相關指標分析

3.1 溫度

在暖通空調設計中，溫度是其中的重要控制指標，在對溫度這一因素的控制上，一般在一些大型的廠區中都會有很高的控制要求，尤其是在一些廠區中對于產品加工有著很高的要求，需要廠區中的溫度能夠保持在一個合理的范圍，這樣才能夠確保加工出來的產品達到預期的標準。因此，很多大型的工廠所采用的都是溫度自控裝置，以此來對廠區溫度進行有效控制。自控系統對于溫度的控制，就是通過管理人員在系統中設定的數值作為參考，并保持回風的穩定，以此來對最終的結果進行準確的計算，在達到設計需求的基本上來使用溫度傳感裝置對溫度進行控制。

3.2 凈化

在暖通空調技術設計的過程中，凈化是其中的關鍵性指標，所謂凈化就是在暖通空調系統中設置過濾裝置以實現對空氣的凈化，通過過濾裝置吸入空氣，利用其中的濾網來將空氣中的有害物質過濾掉，經過這個過程的處理來讓空氣變得更加潔凈和清新，進一步提升人們的生活質量。除此之外，即便是在空氣潔凈程度較高的區域，也同樣可以應用這一設計。

4 暖通空調設計注意事項

在暖通空調設計中，為了保證地源熱泵本身的最大值，必須注意以下問題:(1)因地制宜。在暖通空調設計中,客觀環境的優勢將直接影響地源熱泵,所以因勢利導必須是覆蓋的原則,地源熱泵的應用流程,增加有針對性的加熱設備和冷卻設備,可以保證空調更好的滿足人們的需求,地源熱泵可以達到更好的價值。(2)正確選擇單位。基于地源熱泵暖通空調設計需要選擇合適的單元為基礎,和更高的性能系數和能源效率比,否則將直接影響建筑夏季制冷、冬季供暖,甚至空調系統的正常使用也會出現一系列的問題。(3)合理管控。基于地源熱泵的暖通空調系統需要合理的控制，控制涉及井組控系統、池控系統、熱泵機組自動控制系統等，從而進行集團化管理，保證各個控制系統的控制能力，以便更好地為人們服務。

5 地源熱泵的特點

5.1 污染性較低

因為地源熱泵主要靠電力驅動，這樣它就擺脫了燃燒等傳統的能源供給生產形式，從而對防止環境污染起到了重要作用。地源熱泵具有節能、環保的特點，具有運行時間和空間限制等優點。即使周圍環境十分惡劣，地源熱泵也同樣能正常工作。如，在極端寒冷的天氣條件下，地源熱泵可為相關設備提供充足、穩定的能量；在高溫天氣條件下，也能同樣完成針對地下能量的有效釋放，從而保證地下溫度始終在可控的合理范圍內，避免由于外界的各種變化造成不良后果。

5.2 具備可再生性

與傳統的能源開發方式相比，地源熱泵主要依靠相關的清潔能源開發技術。如果在正常運行中對地源熱泵進行科學合理的調整，將清潔能源與可再生能源高度融合，發揮各自的優勢，是可再生能源發展的新方向。綜上所述，開發利用太陽能等一系列清潔能源，將地源熱泵技術作為地源熱泵技術的能源基礎。因此，要充分利用太陽能等一系列新的清潔能源，不僅保證了地源熱泵的正常供應，而且有利于我國節能減排的進一步發展。

5.3 降低維修費用

在地源熱泵技術的實際應用和發展方面，證明了使用地源熱泵技術可以在一定程度上降低系統維護和技術開發的投入成本。促成這種現象的主要原因是，當地源熱泵處于運行狀態時，其具有超強的耐久性；而當技術設備處于工作狀態時，內部的各個元件之間有較少的相互摩擦運動，減少了設備和設備的磨損，從而使其使用壽命大幅延長。一般而言，應用地源熱泵設備的設備體都位于地下，這樣可以降低設備與空氣的接觸概率，有效地防止因空氣中的水汽等氣體而產生的腐蝕問題。同時，采用地源熱泵技術的設備使得部件之間的集成更加緊密，系統更加完善，使得設備運行時可以實現無人操作，減少人工投入，降低成本。

5.4 地源熱泵技術具備可靠性以及穩定性優勢

當地源熱泵應用系統運行時，利用計算機應用系統對系統進行監控和管理，極大地保證了地源熱泵應用系統的正常、安全地穩定運行。另外，地源熱泵相關管理人員還可通過系統主機實現對地源熱泵應用系統的遠程控制和監控。因此，在使用系統時及時發現各種問題，并采取有效措施及時有效地解決這些問題。與此同時，地源熱泵應用系統在運行狀態中不受環境因素的影響，使系統內部熱源溫度相對穩定，有效地控制在制冷系統制熱的范圍內，并能在控制范圍內。所以，地源熱泵應用系統具有很好的穩定性和可靠性。

5.5 地源熱泵的劣勢分析

從目前的情況來看，我國的森林植被遭到了嚴重的破壞，同時也存在著隨意排放廢物廢水的情況，從而導致植被和樹木數量大幅度降低，土壤特性也受到了負面的影響。地源熱泵的應用有著很高的土壤要求，可以說土壤所具備的性質會對地源熱泵所發揮出的性能帶來直接的影響。那么作為工作人員，在對地源熱泵進行應用的過程中，必須對土質、氣候、土壤濕熱等情況進行掌握，以此為基礎來對地源熱泵進行應用才能夠讓人們更加舒適。與此同時，在多種不同的負荷條件之下，并未深入的去探究地下換熱系統與熱泵裝置之間的配合，地熱技術主要采用的是熱能換熱裝置，重點關注的是換熱裝置與熱泵系統之間的匹配程度。與線源傳熱不同的是，熱泵系統與換熱裝置的匹配更加關注傳熱和傳質的模型，能夠對換熱情況進行精準的模擬。對于地質情況的不同，所使用的地源技術也有所區別，地源工程的投入有著很大的差價，如果在前期沒有做好調查工作，或者沒有對技術方案進行深入的分析，那么就可能出現問題。另外，熱泵這一技術需要和其他技術之間的合作發揮功率，需要工作人員能夠同時掌握多種技術，這樣才能夠做到技術應用的協調，確保其具備足夠的經濟性和技術性。

6 地源熱泵在暖通空調設計中的應用

6.1 暖通空調設計原則

要將地源熱泵應用于暖通空調設計，就必須首先了解設計原則。考慮到空調和各個行業在建筑中的廣泛應用，以實現低能耗和環保，暖通空調設計必須在保持功能的同時節能、減少污染。目前暖通空調的生產和應用主要遵循節能的原則。但由于其低能耗，很好的滿足了省電要求。在這種情況下，地熱源熱泵的運行能量主要來自電能，交換介質主要是水。能源交換主要采用天然氣能源，基本零污染，符合環保要求。研究發現，地熱源熱泵的能耗與制冷效果的關系可達1∶4，能以較少的能量維持適宜的室溫環境。

6.2 連接地源熱泵與冷卻塔

熱泵地下設備與冷卻塔的連接，主要是為了滿足夏季的降溫需要，傳統的地源熱泵原理是以水為介質，通過壓縮冷凝器吸收室內熱量，接著排放到土里，也可以把地下設備和冷卻塔連接起來，熱被直接送到冷卻塔，通過冷卻塔冷卻，使熱量以空氣為介質直接用于室內降溫，防止熱能進入土壤，影響生態環境。另外，北方、西北地區等地區風力較大，利用風力作為冷卻塔的動力，可確保冷卻過程中所消耗的熱量較少，達到節能、減少污染的目的，這種設計思想已在小范圍內得到了實踐和應用。

6.3 熱泵機組與空調設備的連接

連接空調和熱泵是將地熱源熱泵連接到暖通空調的最簡單、最直接的方式，可以替代空調、制冷、采暖等熱泵機組。這種接線方法的關鍵是根據空調設備所需的管道連接不同的熱泵管道。例如，冷風管連接到制冷機組時。要注意空調和熱泵機組的功率差，如果空調功率大，可適當增加地熱源熱泵的用量，適當降低熱泵的工作量，避免室溫高或低。

6.4 連接空調設備和熱回收機組

熱回收裝置是一種儲存多余熱量的裝置，主要用于夏季室內溫度，通過空氣或水收集熱能，通過管道傳遞熱量。儲存在備用熱源或熱回收設備上。同時，在寒冷的日子里也可以使用。連接空調時，可以通過空調調節室內溫度，減少空調的熱量消耗。此外，該工藝的難點之一是余熱的合理利用和熱回收裝置的儲存。對于熱功能，目前可用的材料具有高比熱容和高蓄熱性能，如，復合材料、液體材料。

6.5 智能化設計

將地源熱泵應用于暖通空調設計已經成為一種趨勢，通過智能化設計，可以提高相關技術的應用效果。智能化主要體現在暖通空調集成控制系統中。簡而言之，通過在暖通空調系統中增加智能模塊來調節室內溫度，同時控制地源熱泵與能量輸送相關的工作。比如，當室內溫度達到合適的溫度時，供暖運行會自動停止，溫度過低或過高都會自動報警，以保證資源的合理利用，方便人員操作。

7 地源熱泵技術在暖通空調中的應用

7.1 大地耦合熱泵

在現代建筑的暖通空調系統設計中，利用地源熱泵是必要的。地熱泵在實際應用中的具體分析如下。

(1)土壤溫度變化對大地耦合熱泵系統影響不大。由于土壤是儲存熱量和熱量的材料，不受溫度和濕度的影響，可以作為熱源向地源熱泵傳遞熱量，為此，人們常把土壤耦合熱泵技術與太陽能集熱器結合起來，在暖通系統中，土壤源熱泵可以有效地提高能源利用率，確保其高效運行。

(2)與其他地源熱泵相比，地源熱泵更環保，可以替代傳統的鍋爐和冷卻塔，保護周圍生態環境，降低能耗，減少環境污染。

(3)土壤耦合熱泵運行穩定。無論是冬天還是夏天，這個系統裝置都埋在地下，對設備沒有影響。即使在北方寒冷的冬天，也不需要給設備除霜。

7.2 地下水熱泵

地下深井供水可以為系統提供足夠的熱源，實現夏季暖通制冷，冬季供暖。地源熱泵系統經常采用熱泵技術。水溫不受外界環境影響，所以系統水源主要采用地下井水。下面分析地下水熱泵技術的優點，并討論其實際應用。

(1)與其他地源熱泵相比，無論是地下水回灌還是抽水，占用空間都很小，沒有一種對其占地面積有影響。

(2)地下水源熱泵技術可以降低地源熱泵技術的使用成本，系統維護方便，不破壞生態環境。在建筑物暖通空調的應用中，采用地下水熱泵對水資源進行回收利用，但灌溉過程中地下水含量保持不變。

7.3 污水源熱泵

所謂污水源熱泵，主要是在城市或者工業污水中提取熱源，從而通過轉化的過程讓其成為更高品質的能源，為人們提供熱量。污水源熱泵的特點在于溫度變化幅度較小且水質較為穩定，其優點主要包括這樣兩個方面：首先，其水質溫度常年處于13～25℃，具有輸出熱量穩定以及COP值高的優勢；其次，污水源熱泵對于污染的排放要更低，并能夠節省更多的能源，因為這種熱源溫度更加穩定，所以無論是制冷還是制熱的系數都要高于傳統源熱泵。

8 結 語

綜上所述，地源熱泵是一種科學、高效的供熱技術，具有高效、環保的優點。采用地源熱泵技術能有效提高地熱資源的利用率，彌補傳統空調技術的不足，有利于環保事業的發展，土壤源熱泵的應用能實現人與自然的和諧。