地源熱泵在河南農村建筑中的應用

肖洪濤， 高賀香

河南黃淮學院（463000）

0 引言

隨著國民經濟的快速發展,大部分城市郊區的農村逐漸發展成為“都市村莊”，大大減小了城鄉差距，農村居民空調的擁有量呈直線上升,農村建筑環保節能已成為當今人們共同關注的熱點問題，建筑節能刻不容緩。地源熱泵是一種利用地球淺層資源(包括土壤、地下水、地表水)的既可供暖又可制冷的高效節能的空調系統。它利用鋪設在土壤、地表水中的換熱管道，實現空調房間與土壤、地表水等的換熱，以達到建筑空調的效果。地埋管換熱系統在建設工程熱泵系統中占有很大的比例,其成功的關鍵在于根據特定的地質條件進行合理的埋管設計和施工。在實際工作中，要綜合考慮工作區的氣象、土壤介質的巖性和水文地質參數等，才能夠對系統進行優化設計,以合理的費用保障系統安全穩定運行。本文通過駐馬店市城市郊區某村莊用能為例,介紹了地溫能在廣大農村的發展前景及潛力。

1 河南駐馬店地區農村用能現狀

隨著我國經濟的迅速發展，農民生活質量的提高,農村工業化、城鎮化，城鎮化率達到30%左右，各種電器下鄉,農村用能越來越多,電能消耗量迅猛增長,因而節能設計在農村建筑中迫在眉睫。針對農村住宅院落大，房間寬敞，層高大，門窗洞口大的特點，節能主要從農村取暖及制冷方面入手。

2 本地區水文地質條件

1）淺層地下水類型為潛水，賦存于土體孔隙、裂縫中，主要接受大氣降水補給,地下水的排泄主要是蒸發排泄，同時也存在季節性開采排泄。地下水的逕流速度較為緩慢。地下水位受季節和氣候的影響，地下水位埋深約1.5 m，年最高水位為1.0 m。

2）該區場地抗震設防烈度為6度，第四系覆蓋層厚度在80～100 m,為第四系中更新統老粘性土,凍土深度小于0.6 m、地勢平坦、土層分布均勻、干強度中等、韌性中等、飽和、可塑、土層結構導熱能力較強、結構松散的沉積物孔隙率較大，其中的地下水增大了熱容量，而且通過研究，水的導通提高熱源擴散速度,流動的地下水可以降低熱污染的風險，有利于系統的安全運行。在巖石中埋管要比土壤介質中困難的多，費用也大大提高。

3 地源熱泵技術在建筑中的應用

1）原理:由于大地作為太陽能的蓄熱體，是一個理想的熱源，地表淺層5 m以下、400 m以上的范圍內，一年四季的溫度基本是恒定的。本方案采用垂直埋管式換熱裝置，利用存在于地表淺層的地熱能。在冬季，地源熱泵系統通過埋在地下的封閉管路(稱為環路)從大地收集自然界的熱量，而后由環路中的循環水把熱量帶到室內,通過與室內的熱量交換，提高室溫；在夏季，此運行程序則相反，地源熱泵系統將從室內抽出的多余熱量排入環路而為大地所吸收,使房屋得到供冷。猶如電冰箱那樣，從冰箱內部抽出熱量并將它排出箱外使箱內保持低溫。本項目區別于常規地源熱泵系統的方面，主要是一個多種可再生能源的復合系統。冬季地源熱泵和太陽能聯合供暖,夏季是地源熱泵和自然蓄冷的聯合供冷，同時還有地源熱泵夜間蓄冷水,而生活熱水由地源熱泵和太陽能聯合提供。項目中采用了溫濕度獨立控制技術。制冷、供熱季節系統末端采用輻射地板+溶液式全熱回收新風機組。溶液式全熱回收新風機組負責濕度控制。地板輻射負責室內的溫度控制。

2）埋管方式:為了減少工程造價，該村莊采用每戶在院內打深井,土壤熱交換器地下埋管通常是150 mm直徑的PE管,埋管深度約90米，采用垂直和水平埋管。垂直室外埋管采用鉆孔垂直直埋管，鉆孔間距為5 m×5 m，室內垂直管采用墻埋管。水平埋管主要從混凝土墊層內穿越到室內，樓層采用混凝土天棚輻射制冷制熱系統。敷設于樓板混凝土中的管道，應根據水流溫度范圍、工作壓力、50年使用壽命、投資費用、工程質量、技術要求等因素選擇。本工程中采用了D20×2.0 聚丁烯(PB)管。 PB 管具有以下優點:耐壓、耐磨性能佳；接頭具有極高的可靠性，其連接強度高于管壁；PB管對應力裂紋具有很大的抵抗能力；由于管壁厚度小節省材料，加之在相同管外徑條件下具有斷面積大、單位長度水頭損失小的水力工況，使PB管道有著比其它塑料管道更加節能的優點。實際施工中將PB管埋設于200 mm厚樓板現澆層的下層鋼筋之上、水電管線及上層鋼筋之中，通過輻射方式進行熱交換。

4 使用效果

本工程地源熱泵系統自投入使用，經歷了一段時間，期間效果良好。冬季運行時,COP約為4.2,即投入1 kW電能，可得到 4 kW 的熱能,夏季運行時,COP可達 5.3,投入 1 kW電能，可得到5 kW的冷量。其能源利用效率為電采暖方式的3～4倍，并且熱交換器不需要除霜，減少了結霜和除霜的用電能耗。比常規空氣源空調節能50%左右。

地源熱泵系統與風冷熱泵系統經濟性比較,地源熱泵機組采用標準構件，需要時各部件的修配和更換很方便。因為設計簡單，并不需要高技術的操作工程人員的服務，適合農村使用。

5 結束語

地埋管設計的優劣是影響地源熱泵工程質量的關鍵，在實踐中，無論是水平埋管還是垂直埋管，都應當對當地水文地質要素以足夠的重視。在工程實踐中應綜合地考慮地區氣象、地質、水文地質因素，結合實際施工條件，設計最優的井數、井距和井深，選擇合理的鉆井工藝和回填材料，以最少的投資費用使系統發揮最大的經濟和環境效益。

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