摘要：地源热泵具有热源稳定、再生能源、良好的安全性、环保、节约资源等优点，被暖通空调设计者青睐，成为我国暖通空调设计中的一种发展趋势。地源热泵技术不可避免地指引暖通空调设计的发展，慢慢取代了传统的空调系统设计。结合我国目前的可利用资源的实际情况，地源热泵在暖通空调中充分发挥了优势，不仅仅提供了暖通空调的设计质量，而且还减少了能源开支。下面就对暖通空调节能中的地源热泵技术应用进行分析。
关键词：地源热泵技术；暖通空调；空调节能
前言：人们的生活水平不断提高，对建筑环境的要求也越来越高。暖通空调作为高层建筑必不可少的机电设备，在给人们营造了舒适的居住环境的同时，也造成了很大的能源浪费，于是人们开始研究使用其他清洁能源代替电力维持暖通系统运转。地源热泵技术就是这样一种新型的暖通空调技术，在节约能源、减少环境污染、控制碳排放方面有着广阔的发展空间。
1 地源热泵
1.1 地源
地源（groud source）有着十分丰富的汉语内涵，包括了所有地下资源。但是现阶段，在暖通空调行业中，地源主要是指地壳以下400m以内范围的低温热资源，大部分热量来自太阳，少部分来自地热。地表水体、土体均是大规模的太阳能集热器，太阳辐射能量的47%都被地表吸收，该能量规模远远超过人类活动能耗，是接近无限的清洁可再生能源。地源热泵技术的基本思路就是通过少量高品位能源，将浅层热能转移为高位热能，在冬天供暖、夏天制冷。
1.2 地源热泵技术的发展
20世纪中叶，能源与环境问题逐渐为人们所关注，关于地源热泵的研究就已经开始，在20世纪70年代之后，石油危机促进了地源热泵技术的发展，美国截至1985年，就已经发展出1万台左右的地源热泵，1998年则增加到5万套地源热泵系统，在空调总保有量中，地源热泵占据了19%的份额。欧洲发达国家如瑞士、奥地利、德国均使用地埋管地源热泵为室内地板供暖，并提供生活热水，瑞士地源热泵的使用比例高达96%。近些年，能源危机加剧，掀起了世界范围内的地源热泵研究热潮，地源热泵装机量空前增加。
我国从20世纪80年代开始关注地源热泵，一些高等院校开始了关于地热供暖的理论与实验研究，建立了一系列试验台，在螺旋盘管地源热泵供暖与过渡季制冷方面取得了一定的研究成果。1989年，青岛建筑工程学院和瑞典皇家工学院建立了第一个关于水平埋管的地埋管地源热泵实验室，至2000年，重庆大学的50mU型管地下换热器经过冬夏运行性能测试，认为该地源热泵已经具有工业级应用价值。
2暖通空调中地源热泵的应用
2.1 地源热泵暖通空调主要形式
根据热量来源不同，地源热泵暖通系统可分为土壤源、地下水源、地表水源三类。埋管式土壤源热泵系将使用水作为工作介质，在土壤内部换热管道与热泵机组之间循环流动，完成机组与土壤之间的热交换，根据埋管形式不同，可分为水平和垂直两类，这也是应用最为广泛的地源热泵形式，无需抽取地下水。地下水源热泵以地下水作为热量来源，抽出地下水之后将水送到换热器和热泵机组，提取或者释放热量之后再送回地下，该方案的使用需要征得地方政府的许可，同时地下要具有充足的水量，回灌工作是该方案的重点。地表水源热泵使用地表水作为冷热源，抽取江河湖海水，形成开式循环或者闭式循环。开式循环直接抽取地表水进行热交换，闭式循环则使用水盘管热交换器和地表水进行热交换。根据地源侧水应用方式不同，地源热泵还可以划分为闭环与开环两类，其中闭环换热器内的工作介质不和外部水或者土壤相连通，工作介质在封闭的循环系统内与外部环境完成热交换，在热泵机组和地下埋管之间循环。开环系统则直接抽取外部水作为工作介质，一般都应用板式换热器完成和外部水之间的热量交换，保护内部热交换器。
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2.2 空调方案
（1）地埋管换热器。为了提高暖通空调方案的经济性，提高能源利用率，建筑中除了有特殊要求的消防、电梯机房等房间之外，其余房间均采用集中空调方案。地埋管热泵空调末端设计和常规暖通空调一致，换热器是地埋管地源热泵设计的核心内容，要根据建筑规模确定合适的地埋管钻井数量与长度，并对钻井分布进行合理规划。在施工区域内进行换热性能测试，并进行钻孔换热量计算，从而了解钻井单位井深的换热能力，选用双U型换热器，根据总供热需求计算钻井个数、
（2）热回收卫生水系统。国内关于空调系统热回收技术的研究已经初见成效，通过热回收机组，将冷却水中的热量集中起来，用以生活、生产热水预热/加热，能够在降低空调热污染的同时充分利用废热。回收热进行低温用水预热热交换效率更高，即便应用于高温水加热，其总功耗仍然远远小于锅炉加热。在地源热泵暖通空调系统中应用热回收技术，回收热不仅可以用于冷水预热，还可以应用在地热补偿中，将废热引入地下，从而能够弥补地热损失，缓解地热不平衡问题，减小散热设备的设计容量。
2.3 冷却塔运行策略
冷却塔是缓解地热不平衡的重要辅助冷源，系统余热引入能够在一定程度上弥补地热损失，但是作用有限，引入冷却塔则基本能够达到地热平衡。冷却塔的启停运行策略，成为解决地热不平衡问题的关键。
（1）设备选型。冷却塔要能够弥补所有系统释放热量与制造热量之间的差，同时还要避免选型过大造成的浪费。2012年，Kavanaugh专门针对并联混合地埋管地源热泵系统对该选型算法进行了优化改进，设计计算在考虑散热塔总容量的同时，兼顾土壤热量得失平衡。该算法首先计算辐射散热塔水流量，之后修正有辅助散热塔状态下满负荷冷却时，最终获得辅助散热设备工作时间与容量，容量计算过程与式（2）类似。
（2）启停策略。冷却塔-地源热泵系统在不同的工况下，冷却塔的启停策略有所不同。
方案A：以地埋管地源热泵换热为主时，经埋管进入冷凝器水水温超过某一设定温度，表示地源热泵散热负荷满载，启动辅助冷却塔。
方案B：经过埋管进入冷凝器水文与室外湿球温度差值达到一定温度，启动辅助冷却塔。
方案C：每年固定几个月每天上班时段开启冷却塔。
根据三种辅助冷却塔运行策略的20年运行维护资料比较分析，认为方案B优于方案A、方案A优于方案C。
近些年，国内关于地源热泵暖通空调的研究中提出了一种新的控制策略，该启停方案根据建筑全面冷负荷逐渐增大再逐渐减小的规律，制定相应的启停控制策略。制冷初期与后期，冷却塔运行效率很高，单独运行缩短地源热泵工作时间，制冷高峰期，冷却塔与地源热泵同时工作。这样的启停策略能够减少对土壤热平衡的影响，使土壤尽快恢复温度，同时保证了散热质量。
结语：
总而言之，地源热泵主要借助大地作为热源，对建筑进行空气调节，是当前空调系统中应用的一种全新节能技术，尤其在冬冷夏热的地区，应用地源热泵可实现冬季取暖、夏季制冷等目标。
参考文献：
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[2]时杉杉.基于变频技术的地源热泵空调系统节能改造研究[D].广西大学，2014.
[3]仉安娜，唐远明.环保节能地源热泵技术应用研究[J].环境保护与循环经济，2015，（12）.
作者简介：刘翔，男，工程师。身份证号码：6301021990****201X
论文作者:刘翔
论文发表刊物:《基层建设》2017年3期
论文发表时间:2017/5/4
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