申建光

西安市建筑設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710054

如今空調(diào)的使用已經(jīng)十分廣泛。人們可以不受天氣影響，通過空調(diào)控制室內(nèi)溫度，在一定程度上提高了居民的舒適度和生產(chǎn)效率。但與此同時，空調(diào)的大量使用卻給自然環(huán)境造成了極大的破壞，而且消耗了大量能源，因此要實現(xiàn)城市建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展，空調(diào)設(shè)計者就必須不斷創(chuàng)新，設(shè)計出低能耗、環(huán)保安全的新型空調(diào)。地源熱泵具有節(jié)能減排、環(huán)境友好的特性，在一定程度上節(jié)約了建筑資源，具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，因此近幾年地源熱泵逐漸被暖通空調(diào)設(shè)計者重視起來。

1 地源熱泵概述

地源熱泵技術(shù)最早被英、美兩國提出，后來隨著空調(diào)技術(shù)的發(fā)展及對外開放傳入我國，它實際上是以巖土、地表水或者地下水作為低溫?zé)嵩?，由建筑?nèi)系統(tǒng)、地下?lián)Q熱系統(tǒng)、水源熱泵機組構(gòu)成的空調(diào)系統(tǒng)。依據(jù)地?zé)崮芾梅绞降牟煌?，地源熱泵又分為地下水地源熱泵系統(tǒng)、地表水地源熱泵系統(tǒng)以及地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

在暖通空調(diào)設(shè)計中所應(yīng)用的地源熱泵通常屬于地埋管地源熱泵系統(tǒng)。具體是將暖通空調(diào)中的冷凝器或蒸發(fā)器設(shè)置于建筑地面下，以土壤和水為傳熱介質(zhì)實現(xiàn)熱傳遞。地源熱泵將地表熱能收集儲備，實現(xiàn)整個建筑內(nèi)外熱交換。地源熱泵能量來源是大地，故將地源熱泵應(yīng)用于暖通空調(diào)的設(shè)計可以降低能耗，削弱對環(huán)境的破壞性。

2 地源熱泵的特性

2.1 清潔性

地源熱泵在工作中主要是將地?zé)崮茉崔D(zhuǎn)化為整個暖通空調(diào)的系統(tǒng)運行能源，因此不需要通過燃燒放熱，降低了對自然環(huán)境的污染。此外，地源熱泵系統(tǒng)在暖空調(diào)中的設(shè)計不需要傳統(tǒng)空調(diào)所需要的空調(diào)外掛機，不會因室外排熱引起環(huán)境空氣污染和噪聲污染，幾乎不會對外部環(huán)境造成污染和影響。

2.2 能效經(jīng)濟性

傳統(tǒng)鍋爐的熱轉(zhuǎn)化效率為70%～90%，地源熱泵相較于鍋爐可節(jié)約一半以上的能量。地源熱泵熱源在全年都相對穩(wěn)定，其制冷、制熱系數(shù)在3.5～4.4，相較于傳統(tǒng)鍋爐可高出40%左右。從制熱和制冷角度分別分析，制熱時，地源熱泵系統(tǒng)在運行中主要是依靠電能供應(yīng)實現(xiàn)供熱的，能源消耗相對較低，經(jīng)濟成本較少；制冷時，地源熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生的冷卻溫度要明顯低于傳統(tǒng)暖通空調(diào)冷卻系統(tǒng)，應(yīng)用地源熱泵的暖通空調(diào)系統(tǒng)，其費用能夠降低1/3左右，經(jīng)濟優(yōu)勢明顯，因此地源熱泵空調(diào)系迅速發(fā)展起來。

2.3 穩(wěn)定可靠性

一般正常運行情況下，地源熱泵工作系統(tǒng)是由中央計算機進行整體管理和控制，保證了整個暖通空調(diào)系統(tǒng)在多工況運行狀態(tài)下的穩(wěn)定性和可靠性。與此同時，暖通空調(diào)系統(tǒng)也可以通過管理員遠程控制和調(diào)節(jié)，滿足了特定狀況下用戶的個性化需求。

3 地源熱泵在暖通空調(diào)設(shè)計中的具體應(yīng)用

3.1 地埋管地源熱泵系統(tǒng)

地埋管地源熱泵因其可利用大地冬暖夏涼及溫度變化幅度較小的特性被應(yīng)用于暖通空調(diào)中，其主要工作原理是通過地下埋管的封閉循環(huán)水為傳熱介質(zhì)進行能量交換。地埋管地源熱泵實現(xiàn)制冷或制熱功能只需要少量的熱泵機就能實現(xiàn)，熱泵機完成室內(nèi)和土壤的熱量交換，實現(xiàn)室內(nèi)制冷、供暖及制備熱水。

夏季地埋管地源熱泵主要進行制冷工作和提供生活熱水，在整個地源熱泵空調(diào)機組中空調(diào)熱交換器被埋于地下，通過高強度埋管封閉回路中的水流循環(huán)，實現(xiàn)與地表層土壤的冷熱交換和室內(nèi)的風(fēng)機盤制冷效果。與此同時，空調(diào)機組產(chǎn)生的多余熱量一方面用于生活熱水的制備，另一方面熱量被重新轉(zhuǎn)移到地下，儲存熱量的同時實現(xiàn)房屋內(nèi)的降溫。地埋管地源熱泵在冬季主要實現(xiàn)地板采暖和提供生活熱水的功能。地埋管系統(tǒng)工作原理：埋于地下的封閉回路將土壤傳送于室內(nèi)的熱量通過室內(nèi)暖通空調(diào)的末端釋放出來，進而通過供暖設(shè)施提供生活熱水。地埋管地源熱泵示意圖如圖1所示。

圖1 地埋管地源熱泵示意圖

3.2 地下水地源熱泵系統(tǒng)

地下水地源熱泵系統(tǒng)相較于其他類型的地源熱泵系統(tǒng)，其效率更高，并且其建設(shè)成本也相對較低。目前應(yīng)用中的地下水地源熱泵系統(tǒng)主要是指能夠與地下水進行熱量交換的地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)，具體由三個部分組成，分別是室外地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、水源熱泵機組和建筑物內(nèi)系統(tǒng)。其系統(tǒng)類型大致可分為直流式、同井回灌式，異井回灌三種形式。通常情況下，地下水溫度在25℃以下，而夏季室外空氣溫度大多數(shù)時間在25℃以上，冬季室外空氣溫度大部分時間低于25℃，這就存在較大的熱容量，能相對輕松地實現(xiàn)熱能由低品位向高品位的轉(zhuǎn)移，因此夏季能夠用于室內(nèi)降溫，冬季又可用于室內(nèi)采暖。地下水地源熱泵系統(tǒng)主要運用深層地下水作為主要水資源，加之地下水顯著的恒溫效果，使地下水地源熱泵的能效性明顯提高，從而減少電能的浪費，有著相對較高的經(jīng)濟效益，因此地下水地源熱泵相對而言性價比較高。地下水地源熱泵示意圖如圖2所示。

圖2 地下水地源熱泵示意圖

3.3 地表水地源熱泵系統(tǒng)

地表水地源熱泵系統(tǒng)同樣有供暖和制冷兩種功能，但是區(qū)別在于地表水地源熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)制冷功能主要是依靠氣體向液體進行熱量轉(zhuǎn)換，通過冷媒處理把熱量給吸收進來，再將冷氣釋放于室內(nèi)。供暖則是通過冷凝器將液體蒸發(fā)后通過機組循環(huán)及處理，將熱量釋放于室內(nèi)。

當(dāng)暖通空調(diào)處于制冷工作狀態(tài)時，地表水地源熱泵機組內(nèi)的壓縮機會對冷媒做功，進而實現(xiàn)汽化—液化的循環(huán)。在進行制冷工作時，地源熱泵壓縮機開始對冷媒做功，使得水在機組內(nèi)不斷進行汽液轉(zhuǎn)換。這時冷媒將熱量通過風(fēng)機盤進行吸收，熱量最后通過整個機組的水路循環(huán)傳送至地表水。室內(nèi)熱量不斷傳輸?shù)降叵?，風(fēng)機盤將熱量處理，制冷得以實現(xiàn)。

當(dāng)暖通空調(diào)處于制熱工作狀態(tài)時，通過換向閥實現(xiàn)冷媒流動方向的轉(zhuǎn)變，地表水熱量被地下水循環(huán)系統(tǒng)所吸收，進而通過冷媒蒸發(fā)，又將水路循環(huán)中的熱傳送至冷媒，在冷媒循環(huán)的同時通過冷媒的冷凝作用將熱量再一次傳至風(fēng)機盤。在地下的熱量不斷被轉(zhuǎn)移至室內(nèi)的過程中，最終形成熱風(fēng)，以此向室內(nèi)供暖。

4 結(jié)束語

總體而言，地源熱泵因其高效節(jié)能的特點和良好的經(jīng)濟效益，在暖通空調(diào)中設(shè)計中的應(yīng)用前景是十分廣闊的。其具體的工作原理在技術(shù)方面也有強有力的科學(xué)理論依據(jù)作為支撐。合理應(yīng)用地源熱泵技術(shù)，可在促進系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上減少其對環(huán)境帶來的污染，并以此推動建筑行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。但是就目前而言，地源熱泵在暖通空調(diào)中的實際應(yīng)用還沒有完全流行起來，希望今后相關(guān)設(shè)計工作者能不斷突破，早日實現(xiàn)地源熱泵空調(diào)在普通居民住宅中的普及使用。