地源热泵技术在建筑节能中的应用及技术研究

2022-09-20

应用能源技术 2022年8期

(广东环境保护工程职业学院，佛山 528216)

0 引言

随着我国建筑行业不断发展和进步，对于建筑节能基础需求随之提升，传统建筑在结构设计上主要将关注点放在保温效果上，但是此种模式所产生的质量水平具有明显限制，而地源热泵技术的成功应用实现了新能源利用技术的重大突破，也带来了建筑节能理念的深刻变革。

1 地源热泵技术概论

1.1 技术原理

1.1.1 地埋管道系统

在地源热泵技术应用环节上，地埋管道系统又被称为地下热量转换系统，主要利用工程建设技术手段按照标准规格使用具有一定长度的管道埋入岩石层或者水环境结构体系中，一端与热泵机组相互连接，其中封闭模式下的管道内部需要充满热量转化介质，比如：水资源或者液体物质，使用机械力量推动管道中液体物质达到循环流动最终发展目标，由于管道内部的液体物质与管道外部环境温度具有明显的温度差异性，所以需要介质在管道内部流动过程中不断与地下环境的热量交换，将热量能源不断传输至热泵机组设备，通过热泵机组将热能传输至建筑内部结构中进行日常使用。

1.1.2 室内循环系统

室内循环系统从本质上来看，其自身属于建筑内部的风机动力转化系统或者散热系统，该系统在运转环节上属于三级换热模式，主要布置和设计在中央空调系统以及普通的锅炉供暖系统中，在冬季环境下，热泵机组能够向散热设备系统提供45～55度的热水，而在夏季环境下热泵机组则向风机系统提供7～12度的冷冻水资源，为此建筑想要有效保证内部温度和供暖水平，需要对建筑物24小时提供热水，同时针对特殊建筑结构体应该单独设置一台热泵进行常年供应[1]。

1.2 节能性

地源热泵技术在实施过程中，其节能效果主要表现在不同季节上，其中进入夏季时该系统能够通过自身设备运转，将室内的热量通过转化储存至地层结构中，完成夏季制冷需求。而在冬季供暖季节来临时，则应该利用专业设备将夏季储存的热量有效提取，最终完成冬季用户采暖需求。地源热泵技术最明显技术优势和特点是在技术操作过程中，电力能源消耗相比传统供热模式来说较低，针对信息调查研究最终得出相关结论：地源热泵设备每消耗一个单位的电能就可以有效生产出3～5个单位的热能，所以地源热泵技术的推广和应用在促进能源利用率有效提升的同时，实现了节能环保的目的。

2 地源热泵技术优势

第一，地源在收集过程中的得到效率较高，由于地源热泵能够充分利用常温环境下的土壤环境、地下水资源或者地表水资源中所蕴含的热能，所以能够实现不限地点、时间以及收集范围等方面优势。

第二，地源自身具有安全和稳定性，并且地热能量基础含量十分丰富，能够有效保证地面温度的稳定，能够长期使用，十分安全可靠。除此之外，由于该能源属于可再生能源，普遍具备一定可持续性，能源使用效率相对较高，同时能源在使用过程中不会对外界环境排放有害物质、废水以及废渣等，不会产生环境污染，是一种十分理想的绿色环保操作技术。

第三，地源热泵技术在实施过程中，设备功能十分全面，只需要使用相同机组设备，就能够完成冬季供暖操作，而在夏季还能够充分利用该系统向建筑物提供冷源，确保一套系统就能够替换初始的锅炉和空调两套管理系统，不仅有效节省了能源使用，并且进一步降低了设备基础投资。同时，该技术适用范围十分广泛，能够应用在住宅建筑、别墅建筑、商用写字楼建筑、医院建筑以及商场等不同类型的建筑环境中，并且不限制建筑地区。

第四，地源热泵技术普遍具备高效和节能等技术特点，一般地源热泵系统在实际运转过程中，每投入1 kW的能量，从而保证用户能够获得4 kW以上的热量物质和制冷物质[2]。加上现阶段地源热泵系统基础热量转化效率相对较高，所以设备产生相同热量和制冷数量时，仅需要小功率的压缩设备就能够有效实现，所消耗的基础电量仅仅为中央空调系统以及锅炉运转系统的40%左右。除此之外，地源热泵技术具有较高的舒适性和空气质量水平，其中气体地源热泵技术实施过程中一般使用全空气管理系统，所以该系统的基础舒适性较高，能够确保空调设备的风量传输均匀，温度分布十分合理，不会感受到过度的吹风感。该技术实施所产生噪音相对较小，可以在任何地点和时间内开展供热运转，室内温度可以根据个人的感受在一定的设计范围内设定。

3 地源热泵技术运转问题

3.1 技术问题

3.1.1 地区土壤特点

地源热泵技术使用性能所发挥的优势与广东地区土壤环境特点之间存在着明显的联系，由于地源热泵系统内部结构中的换热设备最佳深度与埋设距离，主要以土壤环境中热量物质以及自然气候条件作为理论根据，所以，地源热泵技术实际应用过程中，针对广东地区土壤环境提出了极高的技术需求，经过信息调查研究得出相关结论：广东地区由于土壤性能不能满足热泵设备使用需求，阻碍了该技术全面推广和应用水平。除此之外，目前我国针对换热设备热量传输制度的研究仍然以理论作为主要模式，明显缺少实践应用经验，所以如果不能有效将理论知识和实践操作相互结合，不仅影响研究水平，还会阻碍实践操作效果。

3.1.2 技术创新

在技术创新环节上，由于在不同冷热基础负荷环境下，地源热泵技术应用和研究仍然处于初级阶段，影响该技术使用性能的充分发挥。所以，管理部门应该将该技术研究重点侧重在换热设备、地下换热系统等方面，才能从根本上发挥出地源热泵技术在节能环保方面的优势。

3.2 非技术问题

在地源热泵技术在建筑节能中的应用过程中，非技术性问题主要指的是约束该技术的全面推广和应用社会性因素，所以如果从宏观角度进行详细分析，地源热泵技术主要体现在专业技术人才的缺少以及地源热泵质量评定结构体系等方面，虽然现阶段我国已经全面推行和宣传地源热泵技术，但是许多部门在宣传该技术时，并不能制定出可行的技术操作标准和法律规则，从而将研究和工作重点放在设备机组节能操作方面上，最终阻碍了对地源热泵技术宣传和使用产生十分不利的影响。

4 地源热泵技术建筑节能应用策略

4.1 实际案例

广州市全年平均气温为21.8度,全年最低温度为0度,而最高温度能够达到38.7度,，在土壤地下4 m深度位置上，土壤表面上最高温度为25度,左右，而该地区的最低温度为17度左右。而在土壤地下深度7米位置，土壤环境最高温度为23度左右，最低温度保持在21度左右，在地下深度为10米位置上，全年的突然温度基本上保持在22度左右，平均温度变化不超过0.5度[3]。

针对此种温度和自然条件，广州市大多数区域使用管道填埋模式控制，当管道填埋深度为4～10 m左右时，热量选择应该达到热泵机组基础介质温度，夏季温度需要保证在29～30°，冬季则达到14～15°左右，最终导致热泵循环设备在夏季冷凝基础温度与冬季蒸发温度不断提升，但是进行深度了解和分析最终得知：使用地源热泵技术在建筑节能中的应用时，该模式在冬季蒸发温度随着环境变化至少提升4～5度左右，明显大于夏季冷凝温度的下降幅度，而在夏季空调制冷循环标准范围内，由于环境转变所产生的蒸发温度每提升1度，所增加的COP数值明显大于冷凝温度所增加的数值。由此可见，地源热泵所展现出的节能效果在冬季制热时更加明显，由于广东地区冬季无需供暖，所以此环节的节能效果无法有效完成和实现。此种现状同样是造成该技术在北方地区的过渡操作主要因素之一，广州土壤温度，见表1。

表1 广州土壤温度

4.2 热泵空调系统

热泵空调系统在运转过程中，作为浅层的地热低温热源处理系统，主要利用热泵技术向建筑供暖、制冷系统提供全新的空调服务技术和运转模式，因此该系统主要由地下换热设备、热泵设备机组以及末端系统等几个环节共同构成。该系统主要运转功能主要将收集到的浅层地热源头传输至设备中进行结构交换，以此实现向建筑结构进行供暖和制冷等最终目的。改造运行对比，见表2。

表2 改造运行对比

4.3 热泵供水系统

根据地源热泵技术在建筑节能中的应用现状进行详细分析，常见的热泵热水系统主要包含独立的热泵热水系统以及复合的热泵系统，其中热泵供水系统主要指的是人们日常生活中对于热水的基础要求，所以该功能主要由热泵技术独立承担，不必联合其他类型热量源头，而复合模式下的系统主要指的是由地热热泵或者其他类型辅助热源，以此共同承担社会大众对于热水的基础要求。