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摘要：地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，浅层地能是一种稳定、高效的可再生地热资源。正确设计、科学管理利用地源热泵系统，达到最终节能目标。
关键词：地源热泵高效水泵变频控制自动控制科学管理
中图分类号： U464 文献标识码： A
地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，其工作原理是利用浅层地下土壤温度一年四季相对稳定，土壤与空气温差一般为17℃左右，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，是一种稳定、高效的可再生地热资源。在冬季把地下浅层地温的热量取出并转移到需要供热和加温的地方，达到供暖的效果；在夏季，将室内的热量收集起来转移到低温浅层土壤中，达到降温和制冷的目的。
地源热泵由室外地埋管循环换热系统、热泵主机系统及室内末端循环系统组成：地源热泵技术，将U型DN25-32的PE管通过地质钻孔插入80~150米深的地下作为室外换热器，通过水平埋管引入机房与室外循环水泵及主机连接成室外封闭循环系统即地源热泵系统的冷热源；室内末端风机盘管（室内换热器）、室内管道、室内循环水泵与主机连接成室内封闭循环系统即地源热泵中央空调系统的冷热负荷；热泵主机则承担着把热量从“低温”循环系统泵送到“高温”循环系统功能。整个过程在封闭系统中进行，没有排放、不损耗地下水，是既可供热又可制冷的高效节能的空调系统，这种系统在满足建筑物冷热需求的同时还可提供生活热水。
由于浅层土壤这种独特温度特性使得地源热泵比传统空调系统的运行效率要高40%~60%，因此可以节能和节省运行费用40%~50%。与电供暖相比，地源热泵可减少70%以上的污染物排放，真正实现了节能减排。地源热泵是我国有效降低建筑能耗的建筑节能技术之一。
地源热泵中央空调能耗一般包括三部分,即(1)室外换热器水循环系统约占总能耗的15%左右;(2)地源热泵机组约占总能耗的75%左右;(3)室内循环水或空气输送系统约占总能耗的10%左右。如何针对项目特点系统地对上述三部分分别进行准确的参数计算、设备选型与运行管理是空调系统节能的重要内容。
目前很多设计人员在空调系统设计时一般都是采用概算指标一再加大的方法,使循环系统及主机长期在低负荷、低效率下运行,很不经济。本文主要探讨室内、室外循环水送系统的相关问题：空调水送系统存在着设计功率偏大,系统配置不当的问题。出现这些问题的原因主要有:(1) 设计负荷偏大,或者在选水泵时采用了太大的水量安全系数,致使水量偏大,水温差过小；(2) 水泵扬程选配过高或采用了过于保守的附加系数;当水送系统实际水阻较小时,导致流量变大,严重时甚至会烧毁电机;(3) 大部分时间水泵处于效率很低的条件下运行; (4) 不问条件,一律采用定流量系统,增加了水泵运行电耗,(空调平均负荷率为30-50%)。一般空调水系统的输配用电,在冬季供暖期间约占整个建筑动力用电的20-25%;夏季供冷期间约占12-24%，因此中央空调水送系统节能具有重要意义。在对一些单位在用中央空调包括一些新建项目地源热泵中央空调的设计图纸的调查中发现,普遍存在着下列问题:(1)选择水泵是按设计值查找水泵樣本的铭牌参数确定,而不是按水泵的特性曲线选定水泵型号;(2)末对每个水环路进行水力平衡计算,对压差相差悬殊的回路也末采取有效措施,因此水力、热力失调现象严重;(3)大流量、小温差现象普遍存在,设计中供、回水温差一般取5℃,但经实测,夏季冷冻水回水温差较好的为3℃,较差的只有1-1.5℃,造成实际水流比设计水量大1.5倍以上,使水泵电耗大大增加。针对以上所述的问题,我认为可以从下面几个方面来考虑对中央空调的节能改造。
一、循环水泵：经过长期的实践证明,循环水泵的最有效的节能办法是――更换合适的高效循环水泵同时采用变频控制,以解决水泵的选型功率大于地源热泵机组的需要功率问题。
1.1更换合适的高效水泵：设计部门在循环水泵的选型时,按照国标规定,以机组的最大需要流量,并乘以一定的过载倍数来选型。这样,选型的水泵往往比实际需要的功率要大得多。如果循环水泵没有采取任何节能控制，那么循环水泵消耗的功率就是其选型功率,如果循环水泵的额定扬程比实际工作扬程高的话,那么它还可能工作在过载状态,耗电就更严重了。所以必须尽快地更换合适的高效水泵,让水泵轻松地运行在高效区,解决循环水泵长期工作在低效区的根本问题。
1.2变频调速：室内冷冻水循环泵应用专业的变频控制理论――恒温差控制水泵电动机的转速,精确调节水送系统的最佳流量。变频控制系统根据地源热机组的回水和出水的温度差,改变冷冻循环泵的转速,即改变冷却水的流量,从而保持地源热机组的回水与出水的温度差恒定。水泵采用变频控制时,其消耗的功率与流量成正比,也就是说,水泵的流量减小了,其消耗的功率也变小了。空调系统中循环水的流量是与空调的制冷量密切相关的,当制冷量(制冷量是随环境温度变化的)变化了,循环水的流量也应相应地变化,这样,循环水泵的能耗也就变化了,变化的能耗也就是可以节省的能耗。而采用阀门调节使水泵的流量时其消耗的能量基本不变。
1.3 实现室外循环泵与主机启停的联动，做到室内循环水温度达到设定值主机停机期间室外循环水泵自动停转。
采用以上关键技术,除了能够节约水送系统约50%的电耗,其产生的节电效益，在两年内即可收回设备的收投资成本外,还对设备本身有以下3个优点：⑴小空调开/停机对电网的冲击,由于循环水泵的功率较大,工频起/停泵时,对电网的冲击较大,影响其他设备的运行。采用变频控制后,水泵实现软起动、软停止,其电流均小于额定电流,对电网不再产生冲击。⑵小停泵时循环水的水垂效应,由于是变频软停止,且停泵过程可控制,可以完全消除停泵时的水垂效应,消除水垂对空调系统管网的冲击。⑶低设备的故障率,采用变频控制后,循环水泵大部分时间工作在额定功率以下,这将有力的降低设备的故障率,减少设备维修和维护,延长设备的使用寿命。
二、加强地源热泵中央空调的管理：加强对空调操作人员的培训,提高管理人员素质,实行空调操作人员操作证制度。中央空调系统实行独立耗电(能)核算制。克服用电吃"大锅饭",做到浪费电(能)罚,节约电(能)奖的制度，以期最大限度地节约可宝贵的电能资源。
结束语
地源热泵系统可实现对建筑物的供热和制冷，还可供生活热水，一机多用。一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统系统紧凑，省去了锅炉房和冷却塔，节省建筑空间，也有利于建筑的美观。地源热泵系统的另一个显著的特点是大大提高了一次能源的利用率，因此具有高效节能的优点。地源热泵比传统空调系统运行效率高约40-60%。另外，地源温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，整个系统的维护费用也较锅炉－制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。在建筑空调系统中采用地源热泵技术可以有效地提高一次能源利用率，减少温室效应气体CO2和其它燃烧产生的污染物的排放，是一种可持续发展的建筑节能新技术。地源热泵（地下耦合热泵系统）适用范围广，运行费用低，节能和环保效益显著。空调和供热已为普通百姓的需求，并逐渐向农村和南方扩展，市场前景很好。通过政府部门、科研机构和工程技术人员的共同努力，借鉴国外的成功经验，我国的地源热泵应用将得到较快的推广和发展。
关键词：地源热泵高效水泵变频控制自动控制科学管理
中图分类号： U464 文献标识码： A
地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，其工作原理是利用浅层地下土壤温度一年四季相对稳定，土壤与空气温差一般为17℃左右，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，是一种稳定、高效的可再生地热资源。在冬季把地下浅层地温的热量取出并转移到需要供热和加温的地方，达到供暖的效果；在夏季，将室内的热量收集起来转移到低温浅层土壤中，达到降温和制冷的目的。
地源热泵由室外地埋管循环换热系统、热泵主机系统及室内末端循环系统组成：地源热泵技术，将U型DN25-32的PE管通过地质钻孔插入80~150米深的地下作为室外换热器，通过水平埋管引入机房与室外循环水泵及主机连接成室外封闭循环系统即地源热泵系统的冷热源；室内末端风机盘管（室内换热器）、室内管道、室内循环水泵与主机连接成室内封闭循环系统即地源热泵中央空调系统的冷热负荷；热泵主机则承担着把热量从“低温”循环系统泵送到“高温”循环系统功能。整个过程在封闭系统中进行，没有排放、不损耗地下水，是既可供热又可制冷的高效节能的空调系统，这种系统在满足建筑物冷热需求的同时还可提供生活热水。
由于浅层土壤这种独特温度特性使得地源热泵比传统空调系统的运行效率要高40%~60%，因此可以节能和节省运行费用40%~50%。与电供暖相比，地源热泵可减少70%以上的污染物排放，真正实现了节能减排。地源热泵是我国有效降低建筑能耗的建筑节能技术之一。
地源热泵中央空调能耗一般包括三部分,即(1)室外换热器水循环系统约占总能耗的15%左右;(2)地源热泵机组约占总能耗的75%左右;(3)室内循环水或空气输送系统约占总能耗的10%左右。如何针对项目特点系统地对上述三部分分别进行准确的参数计算、设备选型与运行管理是空调系统节能的重要内容。
目前很多设计人员在空调系统设计时一般都是采用概算指标一再加大的方法,使循环系统及主机长期在低负荷、低效率下运行,很不经济。本文主要探讨室内、室外循环水送系统的相关问题：空调水送系统存在着设计功率偏大,系统配置不当的问题。出现这些问题的原因主要有:(1) 设计负荷偏大,或者在选水泵时采用了太大的水量安全系数,致使水量偏大,水温差过小；(2) 水泵扬程选配过高或采用了过于保守的附加系数;当水送系统实际水阻较小时,导致流量变大,严重时甚至会烧毁电机;(3) 大部分时间水泵处于效率很低的条件下运行; (4) 不问条件,一律采用定流量系统,增加了水泵运行电耗,(空调平均负荷率为30-50%)。一般空调水系统的输配用电,在冬季供暖期间约占整个建筑动力用电的20-25%;夏季供冷期间约占12-24%，因此中央空调水送系统节能具有重要意义。在对一些单位在用中央空调包括一些新建项目地源热泵中央空调的设计图纸的调查中发现,普遍存在着下列问题:(1)选择水泵是按设计值查找水泵樣本的铭牌参数确定,而不是按水泵的特性曲线选定水泵型号;(2)末对每个水环路进行水力平衡计算,对压差相差悬殊的回路也末采取有效措施,因此水力、热力失调现象严重;(3)大流量、小温差现象普遍存在,设计中供、回水温差一般取5℃,但经实测,夏季冷冻水回水温差较好的为3℃,较差的只有1-1.5℃,造成实际水流比设计水量大1.5倍以上,使水泵电耗大大增加。针对以上所述的问题,我认为可以从下面几个方面来考虑对中央空调的节能改造。
一、循环水泵：经过长期的实践证明,循环水泵的最有效的节能办法是――更换合适的高效循环水泵同时采用变频控制,以解决水泵的选型功率大于地源热泵机组的需要功率问题。
1.1更换合适的高效水泵：设计部门在循环水泵的选型时,按照国标规定,以机组的最大需要流量,并乘以一定的过载倍数来选型。这样,选型的水泵往往比实际需要的功率要大得多。如果循环水泵没有采取任何节能控制，那么循环水泵消耗的功率就是其选型功率,如果循环水泵的额定扬程比实际工作扬程高的话,那么它还可能工作在过载状态,耗电就更严重了。所以必须尽快地更换合适的高效水泵,让水泵轻松地运行在高效区,解决循环水泵长期工作在低效区的根本问题。
1.2变频调速：室内冷冻水循环泵应用专业的变频控制理论――恒温差控制水泵电动机的转速,精确调节水送系统的最佳流量。变频控制系统根据地源热机组的回水和出水的温度差,改变冷冻循环泵的转速,即改变冷却水的流量,从而保持地源热机组的回水与出水的温度差恒定。水泵采用变频控制时,其消耗的功率与流量成正比,也就是说,水泵的流量减小了,其消耗的功率也变小了。空调系统中循环水的流量是与空调的制冷量密切相关的,当制冷量(制冷量是随环境温度变化的)变化了,循环水的流量也应相应地变化,这样,循环水泵的能耗也就变化了,变化的能耗也就是可以节省的能耗。而采用阀门调节使水泵的流量时其消耗的能量基本不变。
1.3 实现室外循环泵与主机启停的联动，做到室内循环水温度达到设定值主机停机期间室外循环水泵自动停转。
采用以上关键技术,除了能够节约水送系统约50%的电耗,其产生的节电效益，在两年内即可收回设备的收投资成本外,还对设备本身有以下3个优点：⑴小空调开/停机对电网的冲击,由于循环水泵的功率较大,工频起/停泵时,对电网的冲击较大,影响其他设备的运行。采用变频控制后,水泵实现软起动、软停止,其电流均小于额定电流,对电网不再产生冲击。⑵小停泵时循环水的水垂效应,由于是变频软停止,且停泵过程可控制,可以完全消除停泵时的水垂效应,消除水垂对空调系统管网的冲击。⑶低设备的故障率,采用变频控制后,循环水泵大部分时间工作在额定功率以下,这将有力的降低设备的故障率,减少设备维修和维护,延长设备的使用寿命。
二、加强地源热泵中央空调的管理：加强对空调操作人员的培训,提高管理人员素质,实行空调操作人员操作证制度。中央空调系统实行独立耗电(能)核算制。克服用电吃"大锅饭",做到浪费电(能)罚,节约电(能)奖的制度，以期最大限度地节约可宝贵的电能资源。
结束语
地源热泵系统可实现对建筑物的供热和制冷，还可供生活热水，一机多用。一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统系统紧凑，省去了锅炉房和冷却塔，节省建筑空间，也有利于建筑的美观。地源热泵系统的另一个显著的特点是大大提高了一次能源的利用率，因此具有高效节能的优点。地源热泵比传统空调系统运行效率高约40-60%。另外，地源温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，整个系统的维护费用也较锅炉－制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。在建筑空调系统中采用地源热泵技术可以有效地提高一次能源利用率，减少温室效应气体CO2和其它燃烧产生的污染物的排放，是一种可持续发展的建筑节能新技术。地源热泵（地下耦合热泵系统）适用范围广，运行费用低，节能和环保效益显著。空调和供热已为普通百姓的需求，并逐渐向农村和南方扩展，市场前景很好。通过政府部门、科研机构和工程技术人员的共同努力，借鉴国外的成功经验，我国的地源热泵应用将得到较快的推广和发展。