地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)節(jié)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(diào)節(jié) ，是當(dāng)前空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用的一種全新節(jié)能技術(shù) ，尤其在冬冷夏熱的地區(qū)， 應(yīng)用地源熱泵可實現(xiàn)冬季取暖、 夏季制冷等目標(biāo)。本文闡述了地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點和效益，探討了地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)節(jié)能中的運用。
關(guān)鍵詞：地源熱泵;優(yōu)點;暖通空調(diào);節(jié)能運用
地源熱泵技術(shù)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(shù)。地源熱泵中的熱 (冷) 源不是指地?zé)崽镏械臒釟饣驘?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(qū)應(yīng)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?zé)嵩醇橙∧芰，使其轉(zhuǎn)換成有用熱能的裝置。
一、地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點
1.應(yīng)用靈活、安全可靠。用途廣泛地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)靈活性強，—套地源熱泵系統(tǒng)可以替換原有的供熱鍋爐、制冷空調(diào)和生活熱水加熱的三套裝置或系統(tǒng)？捎糜谛陆üこ袒驍U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(jié)約空間。同時，地源熱泵無儲煤、儲油罐等衛(wèi)生及安全隱患。因此，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)從嚴寒地區(qū)至熱帶地區(qū)均適用，可為辦公樓、賓館、醫(yī)院、飯店、商店、超市、幼兒園、別墅、居民小區(qū)等各類建筑物提供冷暖兩用空調(diào)系統(tǒng)，并可同時提供生活熱水。
2.運行費用低。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(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)的供暖和制冷費用只相當(dāng)于普通空調(diào)系統(tǒng)供暖和制冷費用的30—70%。
3.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”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，其運行費用僅為普通中央空調(diào)的50—60%。 4.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)，減緩全球變暖的進程。
5.節(jié)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(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)濟效益，并改善了環(huán)境外部形象。熱泵機組質(zhì)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(xiàn)機組獨立計費，分戶計量，方便業(yè)主對整個系統(tǒng)的管理。
二、地源熱泵系統(tǒng)的效益
1.地源熱泵的社會效益
我國的能源結(jié)構(gòu)主要依靠礦物燃料，特別是煤炭。礦物燃料燃燒后產(chǎn)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(guī)供熱和空調(diào)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(jīng)濟效益
地源熱泵系統(tǒng)可實現(xiàn)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(tǒng)可以代替原來的鍋爐加制冷機的兩套裝置或系統(tǒng)。系統(tǒng)緊湊，省去了鍋爐房和冷卻塔，節(jié)省建筑空間，也有利于建筑的美觀。根據(jù)以往項目的經(jīng)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(nèi)收回，地源熱泵系統(tǒng)在整個服務(wù)周期內(nèi)的平均費用將低于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)。
同時，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性取決于多種因素。不同地區(qū)，不同地質(zhì)條件，不同能源結(jié)構(gòu)及價格等都將直接影響到其經(jīng)濟性。
三、地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)節(jié)能中的運用
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(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)運行較為穩(wěn)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(yōu)勢 ，節(jié)約占地面積與安裝費用， 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)， 因此機組運行較為穩(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 ，因此熱泵機組的運行不穩(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。
2.地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的機組設(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。 以 “水-- 水”系統(tǒng)為例 ，主要由若干室內(nèi)機組及一個室外機組構(gòu)成。 在該系統(tǒng)中， 可以對每個空調(diào)進行獨
立調(diào)節(jié) ，滿足不同的空調(diào)溫度要求 ，節(jié)能效果良好 。對于變頻式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)來說， 再加上新風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用 ，其發(fā)展前景較為理想 ，尤其在中央空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用中更具意義。 因此， 優(yōu)化機組設(shè)計， 對整個系統(tǒng)的運行非常重要。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)。 在系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與選擇過程中 ，往往設(shè)計變量的取值決定于各種受限條件。 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 、室內(nèi)機、 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)的運行參數(shù)動態(tài)方程及數(shù)學(xué)模型， 構(gòu)成系統(tǒng)運行參數(shù)的方程組 ，并實行動態(tài)模式 。對于系統(tǒng)的動態(tài)模擬， 給系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)， 實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)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(biāo)要求。
地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)過多年的研究， 在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，而且經(jīng)過多次的示范實踐， 肯定其具有節(jié)約能源、性能穩(wěn)定、清潔安全等優(yōu)點，雖然其初期投資比常規(guī)采暖空調(diào)系統(tǒng)大， 但可以大大節(jié)省運行維護費用。據(jù)世界環(huán)保組織估計，設(shè)計安裝良好的地源熱泵，平均可節(jié)約用戶30%～40%的采暖空調(diào)運行費， 因此它將成為大有發(fā)展前景的采暖空調(diào)技術(shù)。
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