張井剛 石盼盼

摘 要：隨著人們環(huán)保意識和節(jié)能意識，在空調(diào)領(lǐng)域的清潔和可再生能源正日益成為一個熱門研究課題，地源熱泵作為一種新型可再生能源，可以滿足節(jié)能的要求，具有良好的清潔性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)節(jié)能減排的效果。本文論述了地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)節(jié)能中的應(yīng)用，具有一定的參考和借鑒性意義。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；暖通空調(diào)；節(jié)能；應(yīng)用

目前，隨著我國的能源消耗量越來越大，地源熱泵作為一種能源消耗量極低的一項技術(shù)，在很大程度上不僅可以滿足群眾不同冷暖的需求，而且還具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點，因此，很受廣大的群眾信賴。所謂地源熱泵，它是一種高新的技術(shù)，主要是以地能源土壤、地下水及地表水等方式來作為熱泵夏季制冷的冷卻源和冬季取暖供熱的低溫?zé)嵩吹南到y(tǒng)，同時也是實現(xiàn)采暖、制冷及生活用水的一種系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的采暖空調(diào)方式相比，地源熱泵具有環(huán)保節(jié)能、冷暖熱聯(lián)供、操控方便等優(yōu)勢，對解決公共設(shè)施建設(shè)中的冷暖熱問題具有重要作用，因此，該技術(shù)在我國將會有一個不錯的發(fā)展前景。

1 地源熱泵系統(tǒng)概述

1）地源熱泵的原理。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能量，是人類一年使用能量的500多倍。它不受地域資源等限制，量大面廣無處不在，這種存儲在地球表面淺層幾乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔能源的一種形式。地源熱泵可以充分利用地能，是一項可持續(xù)發(fā)展技術(shù)。地源熱泵系統(tǒng)的核心裝置是一個熱泵機(jī)組，其理論基礎(chǔ)是逆卡諾循環(huán)。地源熱泵系統(tǒng)制冷時，可將淺層地下水或地表水作為散熱體；供熱時則將淺層地下水或地表水作為低溫?zé)嵩?，通過消耗部分電能從低溫?zé)嵩粗形崃?，其供熱量為消耗的電能與從低溫?zé)嵩粗形〉臒崃恐汀?/p>

2）地源熱泵系統(tǒng)的組成。通常來講，地源熱泵系統(tǒng)以滿足用戶以下三個要求： 夏季制冷、冬季供暖及全年生活熱水，一個系統(tǒng)可以取代當(dāng)前的空調(diào)和兩種鍋爐設(shè)備。

地源熱泵系統(tǒng)主要包括熱泵系統(tǒng)、室內(nèi)末端系統(tǒng)、室外管網(wǎng)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。對于土壤源熱泵，各個系統(tǒng)之間的換熱介質(zhì)主要有土和水兩種。水型地源熱泵技術(shù)出現(xiàn)比較早，20世紀(jì)60-70年代就已經(jīng)在歐洲地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，它是利用淺層地下水中的熱量作為低位熱源，這種地源熱泵系統(tǒng)一般用于地板輻射供暖；從20世80年代起，一些地下水比較缺乏的地區(qū)漸漸研發(fā)出了一種利用土壤中熱量的方法，這種地源熱泵被稱為土壤源熱泵，其室內(nèi)系統(tǒng)一般采用風(fēng)機(jī)系統(tǒng)供應(yīng)熱風(fēng)或者冷風(fēng)。

2 地源熱泵系統(tǒng)的性能特點

1）地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用低。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的高效節(jié)能特點，決定了它的低運(yùn)行費(fèi)用。其維修量極少，使用壽命和建筑物同期，折舊費(fèi)和維修費(fèi)也都大大低于傳統(tǒng)空調(diào)。由于自動化程度高，無需專業(yè)人員操控。一般來說，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的供暖和制冷費(fèi)用只相當(dāng)于普通空調(diào)系統(tǒng)供暖和制冷費(fèi)用的30―70%。

2）地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能、高效。地溫一年四季基本恒定在16℃左右，略高于該地區(qū)平均溫度1到2度，使得熱泵無論在制冷或制熱工況中均處于高效率點。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在提供100單位能量的時候，70%的能量來源于土壤，30%的能量來自電力，用于將土壤中的熱量“搬運(yùn)”至室內(nèi)。與鍋爐（電、燃料）供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70―90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)換為熱量供用戶使用，而地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)4.7，因此它要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量，其運(yùn)行費(fèi)用僅為普通中央空調(diào)的50―60%。

3）綠色、環(huán)保、無污染。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在冬季供暖時，不需要鍋爐，無燃燒產(chǎn)物排放，可大幅度降低溫室氣體的排放，既保護(hù)了環(huán)境，又可遵守《全球氣候公約》。在夏季制冷時也是將熱量轉(zhuǎn)移到地下，沒有任何氣體排放到大氣中，如果得到廣泛應(yīng)用將可以大大降低溫室效應(yīng)，減緩全球變暖的進(jìn)程。

4）節(jié)省建筑空間、便于運(yùn)行管理。地源熱泵沒有冷卻塔和其它室外設(shè)備，省去了鍋爐房、冷卻塔及附屬的煤場、渣場所占用的寶貴面積，節(jié)省了空間和地皮，產(chǎn)生附加經(jīng)濟(jì)效益，并改善了環(huán)境外部形象。熱泵機(jī)組質(zhì)量可靠，沒有大型的集中機(jī)組，無需專人值守，大大減少維修、維護(hù)費(fèi)用，可以實現(xiàn)機(jī)組獨立計費(fèi)，分戶計量，方便業(yè)主對整個系統(tǒng)的管理。

3 地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)節(jié)能中的運(yùn)用

3.1 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的分類

以當(dāng)前地源熱泵在空調(diào)應(yīng)用系統(tǒng)中的交換機(jī)形式來看，可主要分為以下幾種形式：

1）土壤的地源熱泵。在土壤熱源的交換機(jī)中，含有一個土壤耦合熱交換器。根據(jù)不同的埋管方式，可將土壤熱交換器劃分為垂直埋管、水平埋管以及螺旋埋管三種類型。一般情況下。水平埋管的深度為1.2-3.2m，多為多層串或者單層串，這種施工方式較為便捷、造價低廉，但是換熱效果不佳，極易受到地面溫度的影響，運(yùn)行穩(wěn)定性較差；垂直埋管的深度約為10-100m，可采取套管或者U型垂直埋管方式。這種埋管方式的占地面積較小，全年土壤溫度穩(wěn)定，因此系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定。螺旋埋管集合水平埋管與垂直埋管的優(yōu)勢，節(jié)約占地面積與安裝費(fèi)用，但是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，給管道施工帶來一定難度，同時增大系統(tǒng)的運(yùn)行阻力。

2）地表水的地源熱泵?；诘乇硭牡卦礋岜孟到y(tǒng)，包括各種潛在水面表層下部的串聯(lián)式地表水交換器，以此替代地下水的熱交換器地表水源熱泵可分為開放式系統(tǒng)與封閉式系統(tǒng)兩種形式，由于地下水的水溫為恒定狀態(tài)，因此機(jī)組運(yùn)行較為穩(wěn)定，由于地表水的水溫容易受到水的深度以及環(huán)境溫度等因素影響，因此熱泵機(jī)組的運(yùn)行不穩(wěn)定。另外，由于地表水的地源熱泵換熱器可能布置在公共水域中，容易遭到破壞，增大維護(hù)成本。

3）地下水的地源熱泵。地下水地源熱泵可分為開放式系統(tǒng)與封閉式系統(tǒng)兩種。一方面，開放式地下水熱源泵系統(tǒng)，主要抽出地下水并供給到室外的側(cè)冷凝器，吸收熱量后回灌到地下；開放式系統(tǒng)的換熱效果良好，但是應(yīng)該注意管路與熱泵系統(tǒng)容易受到地下水的腐蝕或堵塞；另一方面，封閉式地下水熱源熱泵系統(tǒng)，利用板式換熱器將熱泵設(shè)備與地下水分離，以此規(guī)避了開放式系統(tǒng)的腐蝕及堵塞問題，但是由于板式換熱器需要實行二次換熱，因此換熱效果并不理想。

3.2 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的機(jī)組設(shè)計

當(dāng)前，地源熱泵應(yīng)用的形式較為廣泛，尤其以蒸汽壓縮式熱泵的商用范圍最為廣泛。其主要由若干室內(nèi)機(jī)組及一個室外機(jī)組構(gòu)成，在該系統(tǒng)中，可以對每個空調(diào)進(jìn)行獨立調(diào)節(jié)，滿足不同的空調(diào)溫度要求，節(jié)能效果良好。

因此，優(yōu)化機(jī)組設(shè)計，對整個系統(tǒng)的運(yùn)行非常重要。在傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，主要為經(jīng)驗主義加實驗辦法，通過設(shè)計簡單、易用的實驗辦法，減少對理論知識、實驗條件等依賴性。但是在實驗設(shè)計中，難以避免穩(wěn)定性低、可靠性差等問題，因此大多應(yīng)用于產(chǎn)品初級開發(fā)階段。地源熱泵在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，表征方案的獨立變量以設(shè)計變量為主，最佳的優(yōu)化辦法就是研究確定變量的具體辦法。有關(guān)評價方案的優(yōu)劣，主要由設(shè)計變量來決定，那么該指標(biāo)就是設(shè)計變量的函數(shù)。變頻式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，主要包括蒸發(fā)器、冷凝器、變頻壓縮機(jī)、室內(nèi)機(jī)、電子膨脹閥、水泵水管路系統(tǒng)、制冷劑管理等。結(jié)合制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)理論，利用相互關(guān)聯(lián)、參數(shù)動態(tài)分布等辦法，構(gòu)建系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)行參數(shù)動態(tài)方程及數(shù)學(xué)模型，構(gòu)成系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的方程組，并實行動態(tài)模式。

4 結(jié)語

經(jīng)過多年的開發(fā)研究，地源熱泵技術(shù)已經(jīng)有了較為成熟的技術(shù)基礎(chǔ)，但地源熱泵空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展仍相對緩慢。隨著人們生活水平的提高，能源消耗的速度越來越快，需要充分了解暖通空調(diào)地源熱泵節(jié)能技術(shù)的特點，從各個方面出發(fā)，滿足規(guī)定要求和標(biāo)準(zhǔn)，在節(jié)約能源的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)理想的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，提高人們的生活質(zhì)量。

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