談暖通空調節能問題與地源熱泵的實際應用

黃長暉

(石家莊世紀正暉冷氣機電有限公司，河北石家莊 050000)

最近惡劣天氣頻發、氣候變暖、冰川融化給人類生存生活造成不小的損失。二氧化碳是造成氣候變暖以及氣候異常的主要來源。長期以來電力需求十分緊張，暖通空調技術創新勢在必行，節能建筑成為建筑發展的必要趨勢。因此，在空調設計中應注意綠色能源和可再生能源的使用;空調系統方案節能，充分回收能量，并盡可能利用天然能源。

暖通空調系統的能耗主要體現出三個主要特征:1)降低能量使用效率的原因是系統的設計及運行管理不合格等因素的影響;2)季節性的變化是由于室內空氣環境冷熱能量品位較低的成果;同時，太陽能等能量是我們可以考慮的有效能量;3)暖通空調系統是以交換的形式處理冷暖量而有效的利用能源，我們采用冷熱量回收的措施在循環上有所改變，從而做到節能。

設計方案的選定對于項目節能效果是否突出起著決定性作用。地源熱泵形式中央空調近幾十年來發展形勢迅速但國內尚處在初步階段，以下結合我在工作中的實際案例做詳細分析。

1 工程概況

1.1 項目簡介

本工程名稱為:金廈新城北區一期工程，總建筑面積80000 m2，地下100 m內以沙土為主，鉆孔費用較低，適合使用地源熱泵系統。

1.2 項目規劃

以甲方的方案為基礎，以適用、經濟、安全為原則，采暖及熱水設計均符合現行國家規范和地方相關條例的要求，并采用新技術、新材料、新設備，做到技術先進，經濟合理，充分展示“以人為本”的現代設計理念，體現“人性化”設計，創造環境優美，功能完善的人性化社區，最終實現經濟效益和社會效益、環境效益的統一。

2 示范目標及主要內容

2.1 主要內容

金廈新城通過以地源熱泵系統為熱源向用戶提供高效、節能、環保的采暖方式，為建設節能環保型建筑打好基礎。

2.2 目標

1)地下換熱部分初投資控制在58.89元/m2。2)對地下水“三不”的目標示范:本工程采用垂直埋管的土壤源熱泵，“不依賴”“不污染”“不消耗”地下水。3)“零污染”的目標示范:本系統不耗燃油、燃煤和燃氣，只耗少量電。裝機功率僅17 W/m2。4)提前實現65%建筑節能的示范目標:本工程做了外墻保溫，整體建筑完全可以達到65%的節能目標，在河北省建筑節能方面具有帶頭作用。

3 工程示范技術方案

3.1 冷熱負荷估算

地下土壤熱物性取熱量按38 W計算。

3.2 氣象數據計算

所在城市為邢臺市任縣，任縣地處東部季風型、南濕帶氣候帶亞溫潤區，氣候溫和，四季分明，雨量集中，雨熱同期。全年平均氣溫13℃，寒暑變化顯著，全年平均降水量為498.2 mm。年平均日照總時數為2567.5 h，年平均無霜期197 d。

采暖天數:120 d。

3.3 熱負荷估算

本工程為住宅項目，結合建筑設計功能要求，根據同類建筑設計經驗、實際使用特點和運行經驗，采用地源熱泵、水源熱泵相結合的方式。

鉆孔數量=50 W×80000 m2/38 W/100 m=526個，深度暫定100 m。

水井，3出6回，要求出水量70 t/h。

3.4 供熱系統方案比較

方案一:冬季采用以城市集中供熱為熱源的室內散熱器采暖;

方案二:以土壤源熱泵為冷、熱源，末端采用地板輻射系統(推薦方案)。

地源熱泵利用的是淺層地熱能，淺層土壤溫度常年保持恒定，熱泵的熱效率高，屬于綠色的可再生能源利用。

在建筑圍護結構節能前提下，采用地板輻射水系統，利用地源熱泵機組與垂直埋管的土壤換熱系統及地板輻射系統相耦合。冬季利用地源熱泵提取淺層地熱能供暖，以達到給建筑供熱的目的(見圖1)。

圖1 地源熱泵采暖、生活熱水系統工作原理示意圖

地源熱泵系統具有很高的能效比，該系統供熱的一次能源效率可達到1.3，而家用分體空調為0.77。分體空調單位建筑面積的裝機功率為40 W～50 W。

地源熱泵主要有三種系統形式:土壤熱交換器地源熱泵系統;地下水地源熱泵系統;地表水地源熱泵系統。

1)土壤熱交換器地源熱泵:

該系統包括一個土壤耦合地熱交換器，它或是水平地安裝在地溝中，或是以U形管狀垂直安裝在豎井當中，不同的管溝或豎井中的熱交換器并聯連接，再通過不同的集管進入建筑中與建筑物內的水環路相連接。工作原理見圖2。

a.地下土壤換熱系統的類型:地下土壤換熱系統主要有兩種形式，即垂直埋管和水平埋管，水平埋管通常是淺層埋管，換熱能力要比垂直埋管小的多，往往還受到可利用土地面積的限制。在實際運用中，垂直埋管多于水平埋管，垂直埋管見圖3。

圖2 土壤熱交換器地源熱泵工作原理示意圖

圖3 豎直埋管換熱器基本單元示意圖

b.地下換熱器的管材:埋入地下的管材首先要保證化學性質穩定、耐腐蝕。通常使用的換熱能力較好的金屬管材在這方面存在嚴重不足，而土壤腐蝕性會比空氣更嚴重。另一方面，由于埋入地下的管材較多，應優先使用造價低的管材。目前使用較普遍的是復合塑料管，如PEX，高密度PE，PB，PP-R等。綜合各項指標，高密度PE管是最適合的。

2)地下水地源熱泵系統:地下水地源熱泵系統是將地下水直接供應到每臺熱泵機組，之后將井水回灌地下，由于可能會導致管路阻塞，或管路腐蝕的發生，故通常不建議采用這種系統，有時可根據項目具體情況采取水源輔助的形式。

3)地表水地源熱泵系統:地表水地源熱泵系統(由潛在水面以下、多重并聯的塑料管組成的地下水熱交換器取代土壤熱交換器)，與土壤熱交換地源熱泵一樣被連接到建筑物中，在北方地區需要進行防凍處理。

3.5 金廈新城地源熱泵方案

根據地質資料，地下100 m以內地質條件較好，鉆孔費用較低。具備使用地源熱泵的條件。

根據建筑平面圖及地質條件，結合近年來的實踐經驗與科學研究，地埋管換熱管網采用深度100 m，孔間距4 m，孔徑0.22 m，鉆孔數量900個。管材為PE聚乙烯管，回填采用自制泥灰砂漿回灌技術，埋管布置在綠地及小區道路下部1.5 m深，垂直埋管的連接采用管束同程式系統。按小區規劃圖，小區內樓間距的可使用面積足以滿足鉆孔的占地需求。

3.6 以地源熱泵為熱源的地板輻射系統

地能地板冷暖空調系統由外墻外保溫系統、地源熱泵系統、地板輻射系統、熱水系統等構成。

綜上所述，地源熱泵系統中央空調在實現空調系統節能問題上走在了行業的前列，并值得政府及行業大力推廣。