摘要：随着经济的不断发展，社会在不断的进步，地热资源作为一种可循环利用的清洁能源，凭借其节能环保和运行安全等优势，逐步被社会各界所认可，并且在工程建设领域得到了广泛推广应用。地源热泵技术是地热资源利用的基础，加强地源热泵技术的研究是地热资源利用的需要，也是建筑节能和社会发展的需要。地热资源的开发利用，有利于解决当今社会所面临的能源危机和环境污染，是节能减排工作的一项重要内容。
关键词：地源热泵；施工工艺；研究；节能潜力；分析
引言
近年来，随着时代的发展，人们对居住环境的要求越来越高，对能源的需求量也在不断增多。“节能减排”成为全球共同的使命和责任。地源热泵系统的节能控制不是单纯地减少能源的利用，而是提高能源的利用率，减少能源的浪费，根据需求合理使用能源。因此，对地源热泵系统进行节能运行控制研究具有十分重要的意义。
1地源热泵工作的原理
地源热泵的工作原理简而言之就是热泵的一种形式，它不仅具有各种热泵的共同特点，其控制系统也是借鉴热泵的控制技术。地源热泵主要是利用浅层地热资源进行工作。因此，在对地源热泵系统进行控制时，一定要根据它的这一特性采取有针对性的方法进行改善。地源热泵系统兼具供热、制冷两大功能。其原理如图1所示。
图1地源热泵系统原理图
该系统利用专业的技术手段将室内的热量、系统设备运行过程中产生的热量进行全面转移，输送到大地中。一般情况下，地源热泵系统主要是通过消耗较少的电力维持室内所需温度。得到的热量或冷量是需要消耗能量的4倍，因此，大大降低了对电力的需求，进一步减少了运行成本，保障了用户的经济效益。
2地源热泵技术的优势
2.1高效节能，运行成本低
地源热泵系统利用储藏于大地土壤中的能量作为能源，通过深埋于建筑物周围的室外地能换热系统与建筑物内部完成热交换，以达到调节建筑内部环境温度的空调系统。它既可以供暖也可制冷，还可以为建筑内部提供生活热水，运行过程中以电能带动系统运转，无需其他人工热源，是一种节能环保、运行成本低的空调技术。冬季从土壤中吸取热量给建筑物供暖，夏季向土壤排热给建筑物制冷，取代了锅炉、集中供热等传统的供暖方式和中央空调系统。地源热泵系统利用的是大地未受干扰的较深的岩土层，其常年温度基本处于恒定状态，冬季土壤温度高于外界环境温度，夏季土壤温度低于外界环境温度，地源热泵技术正是很好地利用了自然温差且就地取材，不需要进行远程输送，基本上避免了热能损失，大大提高了工作能效。据统计，燃煤、燃气锅炉供热系统系统的能效比约在0.7～0.9左右，而地源热泵系统的能效比达到了4.0以上，消耗1KW的电能，可获取的冷热能量约为4KW左右，运行费用约是普通中央空调系统的二分之一。地源热泵技术的运行效率约是传统空调系统的1.5倍，而全年运行费用却不到集中供热系统和燃油燃气供热系统的30%，地源热泵与传统的采暖和制冷系统相比，节省了大量的电力和燃料，由此可见，地源热泵技术的节能效果非常显著。
2.2绿色环保，可循环利用
地源热泵技术利用的是储藏于地下的天然清洁能源，在热泵机组工作过程中，除消耗少量的电能外，不再消耗其他任何燃料，故不会对地下土壤、水体和环境造成污染，这对高耗能、重污染的工程建设行业的节能减排工作意义重大。大地岩土层冬季放热、夏季吸热，存储量巨大且可循环利用，是可持续发展的天然绿色能源。其次，热泵系统不需要堆放燃料和废物场地，从而节省了建筑空间，有利的促进了环境保护和消防安全。地源热泵技术以大地作为冷热源，利用系统的运转带动密封于管路中的循环液流动，使室内环境和岩土层之间的进行热交换。不再利用锅炉和锅炉房，从根本上解决了燃油燃煤造成的大气污染，大幅度的减少了因建筑采暖和空调系统所造成的二氧化碳排放，提高了能源利用率。同时也避免了因采暖和空调系统造成的水源浪费。由此可见，热泵技术是建筑制热和制冷系统中的经济适用的选择方案。
2.3耐久安全，应用广泛
普通空调系统设计使用寿命一般在10年左右，而地源热泵系统的地下换热管网采用抗老化性能良好的高密度聚乙烯管材，使用寿命可达50年以上，且运行安全可靠，大大降低了系统维护费用。目前所用的地源热泵系统的智能化程度较高，运行安全，基本不需要人工操作。地源热泵系统可供暖、空调制冷，还可提供生活热水，一套系统可以替换原来的锅炉和空调的两套装置或系统，适用于成片开发的住宅小区和群体公共建筑以及有采暖制冷需要的工业建筑，目前已在宾馆、商场、办公楼、学校等工业和民用建筑中得到推广应用，市场占有率呈逐年上升趋势。
3地源热泵系统的改进与运行控制方法
3.1项目简介
该项目设计采用2台地源热泵机组和3台循环水泵满足建筑群面积为6700m2的夏季制冷和冬季采暖需求，其中，水泵均为2用1备，项目采用设备如表1所示。系统的自控要求是启动时，先启动负荷侧循环水泵，再启动地源侧循环水泵，最后根据需要启动地源热泵机组，停机时顺序相反。
表1设备参数表
3.2运行问题
3.2.1岩土体热物性参数测试研究
因其为影响地埋管地源热泵系统节能性以及初始投资和运行费的关键因素．在实际项目中，根据岩土体热物性参数确定的地埋管换热量往往都是依据经验估算且都偏低，这就造成多打地埋孔、多投资，且影响热泵机组的效率．所以对岩土体热物性测试方法及测试设备的深入研究至关重要 ．
3.2.2地埋管管群热干扰研究
由于项目规模的变大，需要钻探地埋孔的数量加大，在有限空间内钻孔数量达到上千甚至几千个．地埋管管群内换热器之间的热干扰直接影响系统的运行性能，同时可能无法满足建筑所需的负荷，以及土壤温度严重失衡，长期运行下去系统不但不节能而且运行费会很高．所以需进一步对地埋管管群热干扰的问题进行仿真模拟和试验研究．
3.2.3地下水回灌研究
由于水的换热能力强，使得地下水源热泵性能优异，但是地下水回灌困难．虽然面对地下水回灌问题多采用一抽多灌方式，但大部分项目仍然存在地下水无法完全回灌，造成地下水浪费甚至出现地面塌陷．所以针对主要制约地下水源热泵发展的地下水回灌问题应深入研究，只有解决地下水完全回灌问题才能更好利用地下水源热泵．
3.3地源热泵系统的改进和控制优化
通过对项目多年运行数据的整理分析以及对负荷需求的校验计算，对系统进行了如下改造：（1）对系统的循环水泵加装变频装置，同时安装联动控制，在地源侧水泵部分运行时，地埋管阀门做相应的开关调整；（2）优化系统的节能运行管理，采用热量控制法，通过测定某些点的冷冻水流量和整个系统的空调负荷，运用某种算法控制机组或水泵的启动或停止。通过测试，该项目改造前后系统的综合能效比明显提高，用电量可节约一半，经测试年节约电量49532.2kW•h，年节省费用约为4万元。
3.4复合式地源热泵系统容量配置、控制策略的研究
采用复合式地源热泵的目的是充分利用可再生能源、提高系统效率与降低运行费用．然而实际项目中多出现系统效率不高、运行费降低较少、系统投资回收期较长．所以应在负荷预测、建立数学模拟、复合系统优化控制仿真模拟等方面深入研究，以达到复合系统较优的节能性和经济性．
4市场潜力和发展趋势
据统计，我国城镇现有民用建筑总面积约为105亿m2，预计到2020年底，民用建筑面积将达300亿m2。到目前为止，符合节能标准的建筑面积还不到5%，剩余部分均需在后期逐步进行节能改造，国家初步计划在未来5年，完成地源热泵利用面积3.5亿m2。另外，随着气候条件的变化，我国采暖区域也逐步由北向南推移，采暖面积也会因此大幅度增加，可见地源热泵技术具有巨大的市场潜力和广阔的发展空间。能源问题已经受到国际社会的共同关注，节能减排和新能源开发利用成为了近年来接连召开的联合国气候变化大会的中心议题。全面促进节能减排，大力推进环境治理，成为我国发展过程中所面临的主要问题。“十三五规划”已明确提出，到2020年我国要实现单位GDP碳排放要比2015年下降40%～45%的奋斗目标，充分显示了我国政府坚定不移地走绿色发展之路的信心和决心。
结语
综上所述，通过对该项目的改进和运行控制的优化，取得了良好的使用效果，节省了用电量，提高了经济效益。因此，地源热泵系统的改进和运行控制是当前地源热泵领域研究的热点，其对地源热泵系统的运行和应用效果影响巨大。
参考文献：
[1]李义岩，李晓君.地源热泵系统的改进与运行控制方法研究[J].电力需求侧管理，2016，18（6）：40-44.
[2]姜伟昌.基于智能优化算法的土壤源热泵系统运行优化控制研究[D].北京：北京工业大学，2014.
论文作者:张成翔
论文发表刊物:《基层建设》2018年第24期
论文发表时间:2018/9/18
标签：源热泵论文; 系统论文; 节能论文; 地下水论文; 地热论文; 技术论文; 土壤论文; 《基层建设》2018年第24期论文;