談淺層地能一體化建筑的應用★

汪 寧

(南京交通職業技術學院建筑工程系，江蘇南京 211188)

0 引言

隨著國家建筑節能減排力度的加大，改善建筑能耗狀況，實現社會經濟的可持續發展的目標，可再生能源建筑的廣泛應用已是必然趨勢。

揚州沿江地區南瀕長江，北據蜀岡，大部分為長江沖積平原，地勢寬闊而平坦，地面高程3 m～10 m，土壤為亞粘土。地質構造受揚州—銅陵大斷裂帶控制。市內第四紀地層分布廣泛，幾乎覆蓋全區，可分為崗地沉積區和長江漫灘沉積區。

揚州屬于夏熱冬冷地區，夏季供冷冬季供暖，采用土壤源、地表水源熱泵作為空調系統冷熱源較為合適。揚州代表水體夏季溫度在24℃ ～30℃之間，冬季溫度在4℃ ～7℃之間，淺層土壤的溫度全年在16℃ ～18℃之間，基本接近于當地的年平均氣溫，這種土壤溫度在夏季既足以替代冷卻塔作為熱泵機組的冷卻系統，在冬季也可以在不添加防凍劑的條件下作為熱泵的低位熱源使用，是比較理想的熱泵低品位熱源。揚州城區河網密布，除長江外另有主要河流11條和湖泊若干，部分流量較大的河流和較深湖泊的水溫適宜水質較好適宜作為水源熱泵冷熱源。揚州市區內沿河沿江面積累計171 km2，這些地方取水便利，輸配管網建設和運行費用較少，具備地表水源熱泵的實施條件。

1 地源熱泵應用概況

揚州的地源熱泵業務范圍涵蓋了地源熱泵的生產、研發、集成和安裝等全過程，已經相繼實施了累計超過50萬m2的土壤源熱泵項目。

經過這些前期項目的技術積累和探索，揚州的土壤源熱泵和地表水源熱泵項目已經進入快速發展階段，項目數量迅速增多，規模日益擴大，技術集成度提高系統更為優化可靠，出現了一批經過實踐鍛煉的設計施工等技術人員隊伍，對地源熱泵這種清潔環保可再生能源建筑應用的理解與認同度不斷提高，為地源熱泵在揚州市的進一步發展打下了穩固的基礎。

揚州市至2012年止，預計實施新增可再生能源建筑應用工程81項，新增可再生能源建筑應用面積810萬m2，其中:土壤源熱泵、地表水源熱泵系統共18項，應用總建筑面積146萬m2;太陽能光熱與地源熱泵結合系統共3項，應用總建筑面積32.5萬m2。

2 地源熱泵建筑項目示例

2.1 工程概況

帝景藍灣花園為揚州的高檔商品住宅，位于揚州市江陽中路以南，祥和路以東，地上總建筑面積74 000 m2，其中居住建筑面積684 047 m2，公共配套建筑面積5 053 m2;方案中采用地源熱泵系統，提供小區內住宅范圍內的空調、生活熱水，室內采用風機盤管+地板采暖的方式。

圍護結構設計方案采用:使用硬質聚氨酯發泡外墻、屋面保溫技術以及安裝Low-E中空斷橋隔熱玻璃門窗(6+12A+6)，配合外遮陽卷簾技術來有效降低住宅建筑冷熱負荷。外遮陽系統采用的外遮陽卷簾，是手動皮帶控制軸承，能自由卷縮;墻體嵌入安裝。夏季遮陽、隔熱，冬季保溫、節能，提升了建筑綜合節能效果。

2.2 地源熱泵方案

本項目空調系統采用地源熱泵集中供冷供熱形式，夏天制冷、冬天制熱供暖，同時全年需要衛生熱水。據現場測試結果和技術經濟性分析，埋管形式采用垂直單U埋管，考慮建筑主體的進度，減少與土建等工序的交叉施工，設計在中央車庫埋管。鉆孔在車庫墊層澆筑前進行施工，水平管道施工完畢，車庫即可澆筑墊層。水平管道在主體建筑墊層以下施工。整個埋管790口井分為5個回路，對應3臺熱泵機組，既可單臺機組運行也可并聯任何回路運行。

水平埋管采用的是非集中同程式連接。非集管式是將單口能源井管道單獨匯總至檢查井集分水器，檢修方便，在單個能源井出現泄漏的情況下，關閉該回路即可，不影響其他回路的正常使用。在建筑下埋管尤其適合。同程方式連接，確保整體水力平衡?？紤]設備與埋管的匹配，每臺機組可以對應相應的回路，可以方便調節、檢修，在過度季節制取生活熱水可以轉換到不同的區域吸熱。

2.3 其他節能技術的集成

1)熱泵熱回收技術。本項目將熱泵機組的這部分熱能用來加熱做生活熱水，在制冷季用戶可免費得到生活熱水，冬季可在供暖的同時提供生活熱水，過度季節可以單獨提供生活熱水。有利于提高能源的利用效率，節約一次能源，具有較好的社會和經濟效益。

2)空調分戶熱計量技術。每幢建筑設總能量表，分戶設熱能表。夏季，用戶通過對末端風機盤管控制開關的控制，控制風機盤管電動閥的啟閉達到控制流量、控制使用量的目的;冬季，用戶通過對末端地板輻射采暖的分、集水器閥門啟閉的控制，進行使用量和流量控制，最終達到多用多付費、少用少付費，節約能源的目的。

3 經濟、社會、環境效益分析

結合揚州市千年古城保護和“一體兩翼、四位一體”的發展規劃，在揚州新區建設、老城改造中全面推進可再生能源在建筑中的規?；瘧?。實現可再生能源利用的合理空間布局。因地制宜，使可再生能源的特性與建筑特性有機的結合，實現光熱、光伏、地源熱泵等多種形式的集成化應用，擴大可再生能源的利用效能。

對部分標準較高的新建居住小區，可適當采用地源熱泵集中供冷供熱供生活熱水;對熱水需求少的辦公類、商業類建筑，以地源熱泵和光伏應用為主;對有熱水需求的醫院、賓館類建筑和多功能的綜合建筑以地源熱泵、光熱、光伏的集成應用為主。

3.1 地源熱泵系統經濟性分析

為較準確的分析實施地源熱泵系統的經濟性，與常規系統的增量成本和投資額，現以揚州市已實施的一個典型工程為例進行分析:

建筑類型:住宅建筑面積48 733.31 m2;

技術方案:利用土壤源熱泵技術的集中供熱制冷系統，滿足建筑冬夏季空調冷熱負荷以及生活熱水負荷;

技術參數:總冷負荷:2 238 kW，總熱負荷:1 977.2 kW，設計夏季系統COP達到4.03，冬季系統COP達到3.67。

地源熱泵系統1 820萬元，具體設備選型如表1所示。

表1 設備選型表

1)增量成本概算。

對于住宅建筑，項目的空調系統的增量成本應該與常規的分戶式空調相比較。本項目建筑面積約4.87萬m2，分戶式空調投資成本按90元/m2進行估算。由于分戶式空調使用壽命按10年計算，地源熱泵機組使用壽命按25年計算，故在進行增量成本比較時，分戶式空調系統以2.5次投資進行成本估算，具體估算結果見表2。

表2 成本增量概算表 萬元

可見實施地源熱泵系統相較于常規系統的增量成本約為725萬元，折算到單位建筑面積的增量成本約為149元/m2;系統的能耗可分為主機、輸配系統、管網損耗三部分。當系統滿負荷運行時，系統能效計算如表3所示。

2)節能量計算。

計算參數:夏季運行120 d冬季運行100 d，每天運行14 h，年負荷系數取0.7，電費0.8元/kWh。地源熱泵系統年運行費用計算結果見表4。

表3 系統能效計算表

表4 地源熱泵系統年運行費用表

傳統空調系統年運行費用計算:

傳統住宅空調以分體式空調計算，其夏季 COP3.0，冬季COP2.2，生活熱水按電熱水器計算，效率 0.95，見表 5。

表5 傳統空調系統年運行費用表

可以看出，采用地源熱泵系統，全年空調耗電量為118萬kWh，而采用傳統空調系統的年耗電量要高達218.5萬kWh，相比傳統系統節電量可以達到100.5萬kWh，折算為標準煤為361.8 t標準煤，節省電費88.34 萬元。

通過以上計算可以看出，在揚州地區實施地源熱泵系統，其單位建筑面積的經濟性指標為:增量投資約為150元/m2，年節電量21 kWh/m2。

3.2 社會效益分析

揚州市地源熱泵建筑利用已經具備良好的產業基礎和實踐積累，具備開展規模化建筑應用的條件。通過在揚州市實施可再生能源建筑應用的規模化示范，不但可以極大減少污染物和溫室氣體的排放，減少燃料等一次能源消耗，也相應減少了煤炭開采的生態破壞和燃煤發電的水資源消耗。

通過對揚州市可再生能源建筑應用的推廣，可推動揚州市太陽能和地源熱泵企業的發展。

3.3 環境效益分析

地源熱泵與常規系統相比，由地源熱泵系統承擔的單位建筑面積，年節電量可達21 kWh/m2左右，相當于減排17.8 kg CO2，0.06 kg SO2。

1)埋管土壤源熱泵應用量預計及控制。通過示范項目試點和帶動土壤源熱泵在適宜條件下的發展，揚州市已經有2個國家級的土壤源熱泵示范項目，累計利用建筑面積超過了50萬m2，技術上已經有足夠的積累，目前已確定采用該技術的項目有150萬m2。

2)江水、河水源熱泵。在揚州長江等沿江地帶具有良好發展條件的地區適度發展江河地表水源熱泵。

3)地下水源熱泵。揚州市地下水主要是分布在長江平原第四系松散地層，孔隙地下水回灌易堵，一口取水井需要2口～2.5口回灌井，經濟性較差。揚州地區地下水作為飲用水的價值遠大于利用其溫差能，不鼓勵采用地下水源熱泵，在充分論證后，進行試點。

4 結語

在建筑中規模化利用可再生能源是建筑節能和合理利用能源、建筑可持續發展的共同要求。當前中國的能源與環境問題已成為制約經濟健康發展的兩大因素，中國經濟的發展模式已經走到了高能耗發展與高能效發展的十字路口。針對能源問題現狀，可再生能源在建筑中的規?；瘧每梢詫崿F開源與節流并舉，替代不可再生能源，提高能源利用效率等多重目標。