地源热泵在别墅建筑采暖中应用研究

1.地源热泵概述

随着现代人生活理念的不断更新，与自然和谐共处成为了越来越多成功人士的共识。别墅建筑不再仅仅追求豪华、美观和结构复杂，取而代之的是多功能性、高舒适度、个性化和环境友好型的别墅形式。满足更高宜居标准的同时，最大可能地实现可再生能源在住宅中的应用，已经成为了别墅设计、建设的大势所趋。在这一背景下，地源热泵技术开始取代户式燃气热水器（或电热水器）加冷暖空调的传统模式，成为别墅制冷、供热的主要能源供应系统，同时满足了建筑中地暖、空调、热水等多系统的各种功能。

地源热泵技术是利用包括土壤、地下水及地表水在内的地下浅层地热资源（也称地能）同时实现制冷与供热的高效节能技术，系统主要由地源热泵机组与地埋管环路组成。其核心原理是根据地热资源温度冬季高于环境温度、夏季低于环境温度的特性，以热泵机组和埋地盘管作为中介，将大地作为低温热源或排热场所。而地下浅层在冬季失去的热量可以在夏季得到补偿，由此使大地的热能得以维持基本平衡，不会造成对自然资源的破坏。

从目前的应用效果来看，地源热泵具有以下几方面的特性和优点：首先，由于地下浅层土壤中聚集的太阳辐射能力高于人类每年能够利用的500倍以上，相对于受地域、气候限制的直接利用太阳能的节能技术或其它技术，地源热泵具有明显的稳定性，并能通过热能发散和接受的基本平衡，维持一年四季恒定的运行能力，是一种非常便利、清洁、可靠的再生能源技术；其次，该技术的节能效果显著，由于土壤温度冬季比环境空气温度高，热泵循环的蒸发温度提高，能效比也相应提高，夏季土壤比环境温度低，制冷的冷凝温度降低，效率高于冷却塔式或风冷式机组，综合节能效果在30%~40%左右；此外，地源热泵还具有一机多用、自动运行、使用方便、应用范围广等诸多优点，受到了设计者与用户的一致好评。

2.地源热泵在别墅建筑地暖系统中的应用

地板辐射采暖系统是通过地板辐射层中的热媒将其均匀加热，并以整个地面为散热器根据热量向上辐射的规律进行自下而上的热传导，从而实现采暖目的的系统。地源热泵技术联合地板辐射可对房间进行冷暖联供，具有蓄热能力强、温度波动小等优点，且可使室内出现从脚底到头部逐渐降低的温差，符合中医学中“顶凉足温”的健身理论，是体现现代别墅品质的标志。

由于地面遮挡物会减少地板有效散热面积，从而增大房间单位面积热负荷，因此在设计时应考虑此部分的影响。设备的选型应以夏季冷工况为标准，并依据冬季实际工况调整核较。为了监控辐射地板的供水温度，还应在辐射地板水系统的供水管上安装温度传感器，传感器和温控仪相连，并在板式换热器另一端由机组来的供水管上安装电动阀，由温控仪控制电动阀的开度，使辐射地板系统满足室内的舒适度要求。当别墅区地下浅层冬夏季热能负荷不平衡或换热器埋管面积过大时，可采用复合式地源热泵以降低造价成本，可增设全热交换器或以新风机送风的形式组成别墅的新风系统，进一步提升室内空气品质并实现节能降耗的目标。

3.地源热泵在别墅建筑空调统中的应用

在电力资源严重不足的今天，将地源热泵技术引入别墅空调系统已经成为了我国空调产业和别墅建设工程一大趋势，作为一种清洁的再生性能源，持续、稳定的地热资源可以为空调系统节省能耗40%以上，与空气源热泵相比，更可减少30%以上的污染物排放，具有经济节能和绿色环保的双重效益，并节省了大量的地面空间，进一步提高了别墅生活的品质。

别墅地源热泵空调系统一般由热泵系统、地源热交换系统以及末端空调系统组成，首先由压缩机、冷凝器、四通阀、节流阀及蒸发器组成的热泵系统通过制冷剂的循环实现冬季供暖和夏季制冷，再通过管路和热交换器组成的热交换系统将能量传导至末端空调系统，末端空调系统一般由低温地板采暖系统和风机盘管系统组成，是直接调控温度的组件。在这一系统中，热交换部分是整个技术实现的关键。

在选择地源热泵系统的具体应用方案时，必须先对施工地点的地质、气候情况进行详细的了解、分析，再根据土地面积、别墅建筑规模、高度、机房面积、冷热负荷等规划要求进行科学计算，并结合工程造价优选系统形式。

4.地源热泵在别墅建筑热水系统中的应用

地源热泵空调系统除实现对建筑物的供热和制冷外，还可一机多用，为别墅提供生活热水。地源热泵热回收热水系统一般与地源热泵空调系统联合运行，一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套系统装置。系统结构紧凑，省去了锅炉房和冷却塔，节省了建筑空间。

系统通过水泵将水从生活热水箱送到冷凝器的封闭加压环路进行循环，这是一个可供选的生活热水环路。对于夏季工况，该循环可充分利用冷凝器排放的热量，基本不消耗额外的能量而得到热水供应；在冬季，直接利用地源热泵制备热水，其耗能也大大低于电热水器。与具有低功率密度、间歇性高等特点的太阳能热水器相比，地源热泵受环境、气象条件的限制较小，稳定性强，系统其配套空调设施COP值一般均在4.0以上远高于普通家用风冷空调系统，与空调系统的联合运用具有较大的经济效益。同时地源热泵的使用寿命较长，带来的整个回收期效益也相当可观。

5.结语

综上所述，现代别墅住宅对于制冷供热的需求多而复杂，给设计师提出更高的标准和要求。因此设计师必须在掌握新技术、新方法的前提下不断更新设计理念，最大限度地利用地热源降低建设投资及使用成本。地源热泵技术可以充分发挥地表储能系统的优势，并以一套系统分别达成了供暖和制冷效果，实现了地暖、空调、热水多个系统的功能，在为国家节约大量能源的同时，切实提高了别墅的舒适程度与生活品质，非常值得在别墅建设中应用和推广。