北京建筑大学 北京 100044
摘要：随着经济的发展，人们生活水平的提高，人们逐渐意识到可持续发展的重要。能源和环保是人类赖以生存和永恒发展的基础，随着社会的发展，人们逐渐认识到节约能源、保护环境的重要性。建筑节能是执行节约能源、保护环境基本国策的重要措施，得到了当今社会广泛的关注。
关键词：地源热泵；空气源热泵；土壤蓄热
引言
随着地源热泵的广泛应用、人们对地源热泵的研究不断深入，地源热泵热源逐渐由单一热源向多热源发展，即复合地源热泵。复合地源热泵作为地源热泵和其他冷热源相结合的新技术，具有地源热泵的各项技术优势，降低了地源热泵的应用限制条件，拓宽了地源热泵的使用范围，同时，能够调节自身系统稳定性，具有更长的使用寿命，因此，复合地源热泵具有更广阔的应用前景。本文就基于空气源热泵辅热的复合地源热泵系统应用展开探讨。
1地源热泵初投资和热积聚
在大型商业建筑和公用建筑中,全年供冷(热)负荷分析表明:建筑物夏季供冷负荷远大于冬季供热负荷,尤其是在气候较炎热的地区,地下埋管换热器夏季排向埋管附近土壤的热量远大于冬季从土壤中吸取的热量,使冬季和夏季的土壤负荷产生不平衡,再加上照明、设备及人群散热更加剧了这种不平衡。系统长期运行使埋管周围土壤温度升高,夏季埋管内流动介质与周围土壤温差降低,换热能力减弱,影响系统能效比和运行特性。为满足建筑供冷需要就要增加地下埋管长度以增大换热量。从而在夏季使埋管长度大于实际建筑室内负荷要求的埋管长度。这样不但造成资源的浪费,无疑也大大增加了初投资。同时使埋管场地需求增大,严重削弱了地源热泵系统的优越性。
2地源热泵与传统空调形式对比
地源热泵技术是可再生能源的开发和利用技术，是从土壤、地下水、海水等低品位热源中提取热量，转换成高品位清洁能源，来提供供暖热源或空调冷源的地源热泵系统。热泵系统能效比可达1：4~1：5，即输入1KWh的电能，可输出4~5KWh的热能，其中另外3KWh~4KWh的热量来自免费的天然能源，效率远远高于其它形式的供热方式。采用地源热泵技术，不燃烧任何燃料，是一种极为清洁的能量转换方式，真正做到了零污染、零排放，可以大幅度降低用户的能源使用费用，同时也大量取代燃煤锅炉，解决了环保的压力。
3常用复合地源热泵的分类和工作原理
（1）并联式复合地源热泵。常见的并联式复合地源热泵有并联式太阳能地源热泵和并联式冷却塔地源热泵。太阳能集热系统与地源热泵并联，分别向室内供热，组成并联式太阳能地源热泵。对于并联式太阳能地源热泵，冬季时，当太阳能集热水箱中的热水温度达到冬季供热要求时，可以关闭地源热泵，使用太阳能系统供热；夏季时，可以使用太阳能系统提供生活热水。对于并联式冷却塔地源热泵，冷却塔与地源热泵地下部分并联。并联式冷却塔地源热泵存在的运行模式有地源热泵运行模式、冷却塔运行模式和冷却塔-地源热泵联合运行模式。实际使用过程中，可以根据实际情况调整系统运行模式。系统的优点是冷却塔可以承担部分地源热泵地埋管负荷压力，维护系统稳定性。（2）串联式复合地源热泵。常见的串联式复合地源热泵有串联式太阳能地源热泵和串联式冷却塔地源热泵。太阳能集热器采集的热量储存在集热水箱中，集热水箱中的热水通过三通阀与地源热泵地下换热器串联，从而提升地源热泵室外换热器的入口介质温度，提高系统的COP。串联式太阳能地源热泵主要用于冬季供热负荷比较大的地区，可以在夏末秋初非供暖季节利用太阳能系统提前向地源热泵地下部分蓄热，以供冬季供热使用。对于夏季制冷负荷比较大的地区，使用串联式冷却塔地源热泵，冷却塔承担部分建筑冷负荷，同时在非供冷过渡季节提前向地源热泵地下部分蓄存冷量，以备夏季使用。（3）混联式复合地源热泵。混联式复合地源热泵是指其他形式的冷热源与地源热泵串联的同时并与其并联。常见的混联式复合地源热泵为混联式太阳能辅助地源热泵。对于混联式太阳能辅助地源热泵，既能使用太阳能集热系统单独向室内供热，又能使用太阳能集热系统提高地源热泵室外换热器入口温度进而提高系统COP，同时还能在非供热季节向地源热泵地下部分蓄热，以满足冬季系统供热需求。
4基于空气源热泵辅热的复合地源热泵系统应用
有上述案例分析，基于空气源热泵辅热的复合地源热泵系统如图1所示，其系统主要包括地源热泵子系统、空气源热泵子系统。地源热泵子系统由地源热泵机组、地埋侧循环水泵、空调侧循环水泵、地埋管换热器及相应的管道阀门组成;空气源热泵子系统由空气源热泵机组、空气源循环泵及相应的管道阀门组成。空气源热泵子系统的供回水管路分别与地源热泵子系统中地埋管换热器和空调侧供回水管道连通。基于空气源热泵辅热的复合地源热泵系统运行策略如下。（一）夏季制冷系统运行策略。夏季制冷工况下，开启地源热泵机组，阀门V2、V3、V6、V7、V9、V10开启，其他阀门关闭，地埋侧循环水泵和空调侧循环水泵开启，地源热泵机组向用户供冷。（二）冬季供暖系统运行流程。(1)当室外气温偏高时，开启空气源热泵机组，阀门V11、V12开启，其他阀门关闭，空气源循环水泵开启，由空气源热泵机组向建筑供暖;(2)当室外气温偏低时，开启地源热泵机组，阀门V1、V5、V4、V8、V9、V10开启，其他阀门关闭，地埋侧循环水泵和空调侧循环水泵开启，由地源热泵机组向建筑供暖。（3）过渡季补热系统运行流程。在春、秋过渡季节时，开启空气源热泵机组，阀门V13、V14开启，其他阀门关闭，空气源循环水泵开启，空气源热泵机组对地埋管换热系统进行补热。本工程的冬夏季累计冷热负荷相差较大，空气源热泵作为辅热热源，一方面可承担部分建筑冬季负荷，另一方面可进行季节性蓄热，进而解决地源热泵系统冷热不平衡问题，同时地埋管换热器分为A、B、C三区，分区运行，以缓解地源热泵系统累积的冷热不平衡。
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图1空气源热泵辅热的地源热泵系统
结语
地源热泵自问世以来已有一百多年的历史，地源热泵的形式发生了很大变化，人们对地源热泵的研究逐渐深入———由最开始热源热汇形式的研究逐步上升到地源热泵空调换热特性的研究，现在人们逐渐认识到单一形式地源热泵的局限性，开始对复合地源热泵进行系统研究。如何从热力学第一定律的角度出发，利用能量守恒原则，结合太阳能和空气能等可再生能源，根据建筑物冷热负荷，分别在不同季节注入传统埋管式土壤源热泵的地下部分，以平衡冬季和夏季的热冷量不均衡性，并在此基础上提前储存一部分热量(或冷量)用以在采暖(或供冷)季节使用，即利用间歇技术改善地下换热恶化的程度，改善热泵运行状况，提高热泵系统性能系数，将一直是地源热泵的研究重点内容之一。
参考文献
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[2]张姝.严寒地区空气源土壤蓄热式热泵系统及运行特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2018.
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