绿色建筑通风与空调工程的地源热泵系统设计及运行能效提升实践

一、引言

绿色建筑以 “ 节约资源、保护环境、减少污染” 为核心目标，对暖通空调系统的能效水平、可再生能源利用率提出了严格要求。地源热泵系统通过与地下岩土、地下水或地表水进行热量交换，实现建筑供暖与制冷，其能源利用效率是传统空调系统的 2-4 倍，且运行过程中无燃烧排放，符合绿色建筑的低碳发展需求。据住建部数据显示，2024 年我国绿色建筑中地源热泵系统应用占比已达 38% ，但部分项目因设计不合理、运行管理粗放，实际运行能效较设计值低 15‰ 。例如，地下换热盘管布置密度不足导致换热效率下降，或系统与建筑通风、照明等系统协同不足造成能耗浪费。因此，深入研究地源热泵系统的科学设计方法与运行能效提升策略，对推动绿色建筑高质量发展具有重要现实意义。

二、地源热泵系统的工作原理及绿色建筑适配性分析

2.1 系统工作原理

地源热泵系统由地下换热系统、热泵机组、室内末端系统三部分组成，其核心是利用地下恒温环境（通常 10–18^∘C ）实现能量转移。供暖时，热泵机组通过地下换热系统吸收地下热量，经压缩机做功提升温度后，通过室内末端（如地暖、风机盘管）向室内供暖；制冷时，系统反向运行，将室内热量通过地下换热系统排放至地下。根据地下换热方式不同，可分为地埋管地源热泵（垂直埋管、水平埋管）、地下水地源热泵、地表水地源热泵三类，其中垂直埋管地源热泵因占地面积小、适应性强，在城市绿色建筑中应用最广泛。

2.2 绿色建筑适配性优势

地源热泵系统与绿色建筑的核心需求高度契合，适配性优势显著：一是能效密度高，其 COP 值冬季可达 3.0-4.5，夏季可达 4.0-6.0，较空气源热泵高 20%-30% ，能大幅降低建筑暖通能耗；二是可再生能源利用率高，地下热能属于可再生能源，系统运行中仅消耗少量电能驱动设备，可再生能源占比超过 70% ；三是环境影响小，无温室气体、废气排放，且运行噪声低（机组噪声通常低于 60dB），符合绿色建筑的生态环保要求；四是系统稳定性强，地下温度全年波动小，避免了空气源热泵因冬季低温、夏季高温导致的能效衰减问题，能保障绿色建筑室内环境的稳定性。

三、绿色建筑地源热泵系统的关键设计要点

3.1 地下换热系统优化设计

地下换热系统是地源热泵系统的“ 能量之源” ，其设计合理性决定系统能效。首先要进行地质勘察，获取岩土导热系数等参数，通过逐时负荷计算法结合建筑朝向等因素确定换热负荷，避免负荷估算偏差导致匹配失衡。以垂直埋管地源热泵为例，设计要点有：埋管深度依地质条件定，一般 60 - 120 米，岩土导热系数低时增加深度；埋管间距 3 - 5 米，防热干扰；采用双 U 型埋管，换热面积比单 U 型提升 30% 以上；预留 10% -15% 换热余量应对未来负荷增长。

3.2 系统集成与匹配设计

要实现地源热泵系统与绿色建筑其他系统深度集成以提升整体能效。一是与围护结构协同设计，用高气密性、高保温性围护结构降低冷热负荷和装机容量；二是与新风系统集成，热泵机组与全热交换新风系统联动预热或预冷新风，新风全热交换效率不低于 75% ；三是与生活热水系统集成，用带热水制备功能的热泵机组实现“ 一机三用” ，减少能耗；四是优化系统设备匹配，确保设备额定参数与系统负荷匹配，水泵、风机优先选变频设备且能效等级不低于二级。

3.3 控制系统智能化设计

基于绿色建筑的智能化管理需求，构建地源热泵系统智能控制系统。采用 PLC 控制器作为核心，连接分布在地下换热系统、热泵机组、室内末端的温度传感器、流量传感器、压力传感器，实时采集系统运行参数（如地下埋管进出水温度、机组 COP 值、室内温度等）。开发可视化监控平台，实现系统运行状态的实时监测、数据统计与故障报警；设置自动控制逻辑：根据室内温度与设定值的偏差，自动调节热泵机组出力；根据地下换热系统进出水温差，调节循环水泵转速，维持最佳换热效率；在过渡季节，自动切换系统运行模式，优先利用室外新风满足室内舒适度需求。

四、地源热泵系统运行能效提升策略

4.1 负荷平衡调控策略

针对冬夏季节地下换热系统负荷不平衡问题，采取主动调控措施，避免地下热堆积或冷堆积。当夏季制冷负荷远大于冬季供暖负荷时，增设辅助散热装置（如冷却塔），将部分多余热量通过冷却塔排放，减少向地下的排热量；当冬季供暖负荷过大时，结合太阳能集热系统辅助供暖，降低地源热泵系统负荷。此外，合理调整建筑用能习惯，如鼓励夏季将室内温度设定不低于 26^∘C ，冬季不高于 20^∘C ，通过行为节能减少系统负荷。某绿色办公建筑通过增设冷却塔与太阳能辅助系统，使地下换热系统冬夏负荷比从 1:3 优化为 1:1.2，系统 COP 值提升 18‰

4.2 设备运行优化策略

优化设备运行参数以降低能耗。热泵机组运行时，控制蒸发器出水温度夏季不低于 7^∘C 、冬季不高于 12^∘C ，冷凝器出水温度夏季不高于 35^∘C 、冬季不低于 40^∘C ，使机组能效最优；循环水泵采用变频控制，依系统流量需求自动调节转速，降低水泵能耗 30%-50% ；每 2 - 3 年对地下埋管清洗一次，去除污垢以维持换热效率。同时，建立设备定期维护制度，及时更换老化部件，确保设备最佳运行。

4.3 可再生能源协同利用策略

加强地源热泵系统与其他可再生能源协同，提升能源利用效率。与太阳能系统协同：建筑屋面安装太阳能集热器，冬季为地源热泵预热，提升吸气温度；夏季驱动吸附式制冷系统，辅助制冷以减负荷。与地埋管热回收系统协同：在地下车库、设备机房等地设热回收装置，回收排风热或冷量，预处理新风或循环水。某绿色商业综合体通过“ 地源热泵 + 太阳能 + 热回收” 协同设计，可再生能源综合利用率提至 85% ，年节约电能约 120万 kWh。

五、结论

地源热泵系统是绿色建筑实现节能减碳的核心技术之一，其科学设计与高效运行需兼顾地下换热系统优化、系统集成匹配及运行策略调控。通过精准的地质勘察与负荷计算、深度的系统集成设计、智能化的运行控制，可显著提升系统能效，充分发挥其绿色环保优势。

参考文献

[1]何成普,张薇. 绿色建筑中自然通风系统的优化设计与节能效果[J].中国科技信息,2025,(16):50-52.

[2]杨川. 被动式通风技术在绿色建筑中的应用分析[J].中国建筑装饰装修,2025,(13):97-99.

[3]本刊. 《通风与空调工程施工质量验收规范》和《绿色建筑运行维护技术规范》发布[J].暖通空调,2017,47(03):122.