摘要：文章研究了地源热泵技术在暖通空调节能中的应用，对地源热泵技术的发展概况进行了分析，并对地源热泵-辅助冷却塔暖通空调系统的设计建设方案进行了讨论，认为地源热泵技术应用于暖通空调系统，能够大幅度减少暖通空调系统能耗，全面提高暖通空调系统的节能性能。
关键词：地源热泵技术；暖通空调；空调节能；空调系统；高层建筑；机电设备 文献标识码：A
中图分类号：TU83 文章编号：1009-2374（2016）14-0081-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.041
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。
1.3 混合式地埋管地源热泵
随着关于地源热泵研究的逐渐深入，研究人员逐渐发现，土壤热平衡问题成为了地埋管地源热泵性能主要的影响因素。不同地区有着不同的光照条件和气候条件，如果不能有效解决土壤热平衡问题，将导致地埋管地源热泵运行效率低下，甚至反而导致耗能增加。例如我国北方地区，如果采用冬夏兼用地埋管地源热泵，北方天气寒冷，冬季长期低温，那么就会出现冬季提取地层热量超过夏季地层吸收热量的情况，而南方却与之相反，在地源热泵的长期运转过程中，土壤平均温度会发生变化，导致地源热泵的热交换效率持续下降，甚至完全瘫痪。因此研究人员开始研究如何因地制宜地在应用地源热量的同时保持土壤热平衡，其中混合式地埋管地源热泵技术在维持土壤热平衡方面表现较好。混合地埋管地源热泵通过地源热泵和其他加热与散热技术的联用，消除过分依赖地源热泵对土壤温度的影响。与此同时，混合型地源热泵在冬夏分明地区可根据冷热负荷实际情况，考虑辅助设备负荷，适当减小预埋管长度，进一步减小对土壤温度的影响，转变了单一地埋管地源热泵依靠冷负荷设计的基本原则，降低了地埋管地源热泵的建设成本。
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。
2.2 空调方案
2.2.1 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：
（1）
式中：
N――钻孔数
Q――地埋管热负荷（kW）
q――现场换热性能测试单位钻孔深度换热量（W/m）
H――钻孔深度 根据经验与计算结果，进一步确定井深、有效埋深、间距、井直径等相关参数，布置钻井要充分利用建筑周边绿化带，采用梅花状布置方案，连接制冷机房，将地源侧集水器与分水器均布置在制冷机房内，所有钻井支路均采用同程设计，确保所有支路水压平衡，支路总管穿墙进入机房分别连接集水器与分水器。
2.2.2 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。
2.3.1 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。
1995年，ASHRAE给出了一种辅助散热设备冷却塔容量计算方法：
（2）
式中：
QRej――辅助散热冷却塔设计放热量（kW）
――设计中供冷月的总散热量（kWh）
QLoop.Rej――设计散热总量（kWh）
Hours――供冷月小时数（h）
该算法中，干式闭环路液体冷却设备室外设计条件选择供冷月平均干球温度，闭式闭环冷却塔室外设计条件为湿球温度，由于存在50%供冷月时间室外条件不太恶劣的假设，因此该设计有一定容量余量。
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。
2.3.2 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。
3 结语
地源热泵技术是一种低位可再生能源技术，相比于电力，使用地源热泵作为建筑暖通空调能量来源，有着清洁、节能的优势，是一种绿色的暖通空调方案，在保护环境和节能减排方面都能够发挥重要作用。
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