地源熱泵技術在暖通空調節能中的運用
摘 要：地源熱泵主要借助大地作為熱源， 對建筑進行空氣調節 ，是當前空調系統中應用的一種全新節能技術 ，尤其在冬冷夏熱的地區， 應用地源熱泵可實現冬季取暖、 夏季制冷等目標。本文闡述了地源熱泵系統的優點和效益，探討了地源熱泵技術在暖通空調節能中的運用。
關鍵詞：地源熱泵;優點;暖通空調;節能運用
地源熱泵技術是一種利用淺層常溫土壤的能量作為能源的既可供暖又可制冷并能提供生活熱水的新型熱泵技術。地源熱泵中的熱 (冷) 源不是指地熱田中的熱氣或熱(溫)水，而是指一般的常溫土壤，它對地下熱源沒有特殊的要求，可在絕大部分地區應用，不受地下水資源變化和管理的限制。所謂熱泵(Heat Pump)是一種從低溫熱源汲取能量，使其轉換成有用熱能的裝置。
一、地源熱泵系統的優點
1.應用靈活、安全可靠。用途廣泛地源熱泵空調系統靈活性強，—套地源熱泵系統可以替換原有的供熱鍋爐、制冷空調和生活熱水加熱的三套裝置或系統。可用于新建工程或擴建、改建工程，可逐步分期施工。熱泵機組可靈活地安置在任何地方，節約空間。同時，地源熱泵無儲煤、儲油罐等衛生及安全隱患。因此，地源熱泵空調系統從嚴寒地區至熱帶地區均適用，可為辦公樓、賓館、醫院、飯店、商店、超市、幼兒園、別墅、居民小區等各類建筑物提供冷暖兩用空調系統，并可同時提供生活熱水。
2.運行費用低。地源熱泵空調系統的高效節能特點，決定了它的低運行費用。其維修量極少，使用壽命和建筑物同期，折舊費和維修費也都大大低于傳統空調。由于自動化程度高，無需專業人員操控。一般來說，地源熱泵空調系統的供暖和制冷費用只相當于普通空調系統供暖和制冷費用的30—70%。
3.節能、高效。地溫一年四季基本恒定在16℃左右，略高于該地區平均溫度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。 地源熱泵空調系統在提供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”至室內。與鍋爐(電、燃料)供熱系統相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70—90%的燃料內能轉換為熱量供用戶使用，而地源熱泵空調系統的轉換效率最高可達4.7，因此它要比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節省二分之一以上的能量，其運行費用僅為普通中央空調的50—60%。 4.綠色、環保、無污染。地源熱泵空調系統在冬季供暖時，不需要鍋爐，無燃燒產物排放，可大幅度降低溫室氣體的排放，既保護了環境，又可遵守《全球氣候公約》。在夏季制冷時也是將熱量轉移到地下，沒有任何氣體排放到大氣中，如果得到廣泛應用將可以大大降低溫室效應，減緩全球變暖的進程。
5.節省建筑空間、便于運行管理。地源熱泵沒有冷卻塔和其它室外設備，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，節省了空間和地皮，產生附加經濟效益，并改善了環境外部形象。熱泵機組質量可靠，沒有大型的集中機組，無需專人值守，大大減少維修、維護費用，可以實現機組獨立計費，分戶計量，方便業主對整個系統的管理。
二、地源熱泵系統的效益
1.地源熱泵的社會效益
我國的能源結構主要依靠礦物燃料，特別是煤炭。礦物燃料燃燒后產生的大量污染物，是造成溫室效益的主要原因。采取地源熱泵能夠有效減少常規供熱和空調對大氣的污染，是一項利國利民的綠色工程。
2.地源熱泵的經濟效益
地源熱泵系統可實現對建筑物的供熱和制冷，還可供生活熱水，一機多用。一套系統可以代替原來的鍋爐加制冷機的兩套裝置或系統。系統緊湊，省去了鍋爐房和冷卻塔，節省建筑空間，也有利于建筑的美觀。根據以往項目的經驗，由于地源熱泵運行費用低，增加的初投資可在5～10(年限有待考證)年內收回，地源熱泵系統在整個服務周期內的平均費用將低于傳統的空調系統。
同時，地源熱泵空調系統的經濟性取決于多種因素。不同地區，不同地質條件，不同能源結構及價格等都將直接影響到其經濟性。
三、地源熱泵技術在暖通空調節能中的運用
1.地源熱泵空調系統的分類。 以當前地源熱泵在空調應用系統中的交換機形式來看， 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中， 含有一個土壤耦合熱交換器。 根據不同的埋管方式， 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 ，運行穩定性較差 ;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， 全年土壤溫度穩定 ，因此系統運行較為穩定。但是初期的投資費用較大， 如打井 、鉆孔等土建費用 。螺旋埋管集合水平埋管與垂直埋管的優勢 ，節約占地面積與安裝費用， 但是系統的結構較為復雜， 給管道施工帶來一定難度 ，同時增大系統的運行阻力。
(2)地表水的地源熱泵 。基于地表水的地源熱泵系統， 包括各種潛在水面表層下部的串聯式地表水交換器， 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與封閉式系統兩種形式，由于地下水的水溫為恒定狀態， 因此機組運行較為穩定 ，由于地表水的水溫容易受到水的深度以及環境溫度等因素影響 ，因此熱泵機組的運行不穩定。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與封閉式系統兩種 。一方面， 開放式地下水熱源泵系統， 主要抽出地下水并供給到室外的側冷凝器 ，吸收熱量后回灌到地下; 開放式系統的換熱效果良好， 但是應該注意管路與熱泵系統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， 利用板式換熱器將熱泵設備與地下水分離 ，以此規避了開放式系統的腐蝕及堵塞問題 ，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。
2.地源熱泵空調系統的機組設計。 當前 ，地源熱泵應用的形式較為廣泛， 尤其以蒸汽壓縮式熱泵的商用范圍最為廣泛。 以 “水-- 水”系統為例 ，主要由若干室內機組及一個室外機組構成。 在該系統中， 可以對每個空調進行獨
立調節 ，滿足不同的空調溫度要求 ，節能效果良好 。對于變頻式地源熱泵空調系統來說， 再加上新風系統的應用 ，其發展前景較為理想 ，尤其在中央空調系統的應用中更具意義。 因此， 優化機組設計， 對整個系統的運行非常重要。在傳統的空調系統設計中， 主要為經驗主義加實驗辦法 ，通過設計簡單、 易用的實驗辦法， 減少對理論知識、實驗條件等依賴性 。但是在實驗設計中， 難以避免穩定性低 、可靠性差等問題， 因此大多應用于產品初級開發階段。 地源熱泵在空調系統中的應用， 表征方案的獨立變量以設計變量為主， 最佳的優化辦法就是研究確定變量的具體辦法。有關評價方案的優劣， 主要由設計變量來決定， 那么該指標就是設計變量的函數。 在系統的優化設計與選擇過程中 ，往往設計變量的取值決定于各種受限條件。 變頻式地源熱泵空調系統， 主要包括蒸發器 、冷凝器 、變頻壓縮機 、室內機、 電子膨脹閥 、水泵水管路系統 、制冷劑管理等。結合制冷系統的熱力學理論， 利用相互關聯、 參數動態分布等辦法 ，構建系統內的運行參數動態方程及數學模型， 構成系統運行參數的方程組 ，并實行動態模式 。對于系統的動態模擬， 給系統的優化設計提供了依據， 實現空調系統的節能性、 舒適性以及良好制冷制熱效果 ，達到降溫幅度、 降溫速度等指標要求。
地源熱泵系統經過多年的研究， 在技術上已經比較成熟，而且經過多次的示范實踐， 肯定其具有節約能源、性能穩定、清潔安全等優點，雖然其初期投資比常規采暖空調系統大， 但可以大大節省運行維護費用。據世界環保組織估計，設計安裝良好的地源熱泵，平均可節約用戶30%～40%的采暖空調運行費， 因此它將成為大有發展前景的采暖空調技術。
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