低碳建筑中的地源热泵暖通空调系统设计与运行策略

郑永明

中国电子系统工程第四建设有限公司

摘要：低碳建筑是当今建筑业的一项重要发展趋势，其目的在于降低对环境的冲击，提高能源利用率。在低碳建筑中，以地埋管换热器为代表的暖通空调系统是一种被普遍采用的高效、节能的采暖制冷技术。本文以地源热泵暖通系统为研究对象，探索其在节能、环保、舒适等方面的应用，探索其在低碳建筑中的应用方法，从而为我国建筑的低碳化设计与运行提供理论基础，从而促进我国低碳建筑的可持续发展。

关键词：低碳建筑；地源热泵；暖通空调系统；运行策略

1地源热泵空调系统介绍

地源热泵是一种利用浅层地热能来实现热能与冷却的一种新的能量利用方式，它是一种通过卡诺循环与反卡诺循环实现冷热转换的装置。地源热泵一般是将地源中的热或冷转换到需要的地点。一般情况下，热泵主要用于空调制冷和供暖。地埋管换热器是一种新型的地源热泵系统，可以有效地发挥地下土壤的储冷和蓄冷性能。

该装置通过抽取地下埋管系统中循环水中的低品位能，将其熔合为高位能，再送至冷热水循环系统（终端）。该系统只耗电少，不产生污染。地埋管的循环水循环利用没有损失，也没有抽取地下水，所以不会引起地面的沉陷。与传统的方法相比，主机占用的空间大为减小，可以放在地下室等地方。

相对于锅炉（电力、燃油）、空气源热泵供暖方式，地源热泵采暖方式有其独特的优点。锅炉供暖仅能将90-98%的电力和70-90%的燃油内能转换成热能，从而使地源热泵供暖系统的能耗降低了三分之二，比燃油锅炉节约了一半多，因为它的制冷和供暖系数可以达到4.5-5，比常规的空气源热泵高40%，运行成本也是常规的50-60%。由于人们对空调系统的节能、环保、效率和无污染的要求不断提高，我国已有大量的项目处于应用阶段或处于施工阶段。

2地源热泵空调系统在本项目中的适用性

某工程是一座风景园林单体，是一栋三层高的大楼，其主要用途是观光餐饮，游艇展示，以及配套办公等。

冷却塔+锅炉的系统效率比传统的分体和VRV空调都要高，但同时也带来了一些其它的问题，比如夏季高温会降低冷却塔的传热效率，同时还会导致锅炉燃料的短缺和涨价，以及对环境的污染和安全的影响。

由于地埋管换热器采用地下土壤（不开采地下水，因而不会产生地质灾害），可实现全年恒温和高质量的制冷和供热，因此，它的利用效率很高，与上述系统相比，可节省30-40%的能量消耗，且不会对建筑外立面造成损伤，也不会对锅炉产生危害，是一种更佳的节能方式。

通过对地源热泵新能源的使用，在经济上达到开发商（开发商）经济上的节约，环保上符合国家标准（减排），实际效果上让使用者（开发商）满意（运行稳定，节约运行成本），从而验证地源热泵暖通空调系统及室内辅助终端的一体化应用在技术上是可靠的，经济上是可行的。

3低碳建筑地源热泵暖通空调系统设计

3.1地源选择与设计

3.1.1地源类型与特点

在采用地埋管换热器进行低碳建筑暖通设计时，通常采用地埋水源与地热能两种方式。地下水源热泵系统以稳定的地下水水温为热源，运行稳定可靠，节能效果好；地热能是一种以土壤和岩石中的地热为热源的能源，适合于缺乏地下水资源的地方，在实际的应用中应因地制宜地选用合适的地源热泵。

3.1.2地源井的布置与深度

地热井排布与埋深直接关系到系统的运行效率与能源消耗，因此，应依据地热资源的空间分布及热负荷要求，合理布局各井群，以避免二者之间的相互影响。地下水源热泵系统中，地下水井的布设要考虑地下水的水质、流量及温度，一般为井排布置，以提高取水量的均一性；在地热能源系统中，应考虑到土壤（岩）的导热系数、地热资源的埋深等因素，确定地热井的埋深。通常情况下，地源热泵系统中的地下水井埋深一般为20-100米，而地源井的埋深可达100米以上。

3.2系统的节能设计

3.2.1采用高效换热器

板式换热器是一种传热面积大、传热性能好的换热器，选用高效率的板式热交换器可改善换热效果；对换热器进行了优化设计，主要是增加换热面积，降低流动阻力，优化流体分布等。选用高导热能量的铝片、不锈钢等高效换热材料，降低热量传递时的能量损失；定期检测、清洗换热设备，使换热设备处于最佳运行状态。

3.2.2采用能量回收技术

设置热泵式压缩机废热回收设备等热回收设备，对热泵排放的热进行回收并加以使用，所产生的余热可供其它热负载例如采暖、热水等；通过设置冷凝器余冷回收等冷却设备，对由冷凝器所得的冷能进行再循环，而剩余的冷能则应用于其它需冷区。

3.3集成太阳能与其他可再生能源

3.3.1光伏发电与地源热泵系统的集成

将太阳能电池与地源热泵系统串联起来，利用太阳能电池系统产生的电能满足地源热泵系统的需要；安装太阳能电池板，将太阳光收集、变换成直流，再经逆变器变换成交流电，满足土壤热泵系统对电能的要求；结合地源热泵系统的负荷需求，太阳能板的发电量和储能设备（例如蓄电池）的容量，进行电源接入和分配。为实现对光伏电站的功率输出进行监控，对地源热泵系统的用电进行实时调节，保证了系统的正常运转。

3.3.2太阳能热水与暖通空调系统的集成

拟将太阳能热水与暖通空调相结合，利用太阳能热水作为热源，减少能源消耗，提高供热效率。在制冷时，利用太阳能热水驱动吸收式制冷机或热动制冷机以实现制冷。结合建筑热负荷需求、太阳能热水系统热水能力、暖通系统运行参数等因素，进行合理的供水与分布，保证太阳能热水系统在暖通空调系统中的高效利用。

4低碳建筑地源热泵暖通空调系统运行策略

4.1运行模式选择与切换

4.1.1冷热源切换策略

通过对室内和室外温度的变化进行实时监控，并按照设定的温度阈值，实现对冷热源的自动切换。在夏天，当房间内的气温超过规定的数值时，系统就会切换到制冷模式，然后再用地源热泵提出来的冷量来进行空调；在冬天，如果室内温度降到设定值以下，则转为采暖方式，使用地源热泵供热。

4.1.2运行模式与时段划分

针对不同时段、不同用途，设定不同的操作方式。在晚上或空闲时间使用低功率模式，由此降低能量消耗；在负荷高峰期，为保证高负荷用电，可采取前置冷却方式。

4.2系统运行维护与保养

4.2.1定期巡检与清洁

建立定期巡检计划，制订巡检次数及内容，包括每季一次巡检，确定巡检的范围及程序；检查水泵，阀门，换热器等重要零件的运转情况，确保它们的正常运转；检测各传感器及控制装置的接线及反应情况，以保证数据的准确获取与控制；对冷凝器进行定期的检修和清洗，以防止尘土、污垢的堆积而降低换热效率；对蒸发器进行定期的检修和清洗，以保证空气流通，防止设备堵塞，防止微生物滋生；定期更换或清洗空气滤清器，以避免粉尘堆积而影响房间的空气品质及系统的运转。

4.2.2维护记录与故障排除

记录维修及保养记录，每一次保养及巡检后，应记录保养日期，保养内容，保养人员及保养结果。通过对温度、湿度等参数的分析，对系统的操作进行了分析和评价。设计一套故障自诊断系统，实现了对温度、压力、流量等重要参数的实时监控；设置报警装置，以检测异常状况，并进行处理。

5结论

在世界各国对建筑低碳化、节能减排要求不断提高的背景下，地源热泵暖通空调系统在低碳建筑中的应用显得十分重要。文章从高效率、低能耗等几个方面，阐述了地埋源热泵采暖系统在设计、运行时应注意的问题，提高地埋管换热器的能效，实现智能化的系统集成，开发微电网、能源互联网等，是实现地埋管换热器节能降耗的重要途径。

参考文献

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