探究地源熱泵節能環保技術在暖通空調系統中的應用

文/上海容承企業管理有限公司（世茂房地產） 胡海龍

目前我國城鎮民用建筑（非工業建筑）運行耗電為我國總發電量的22%～24%，近年來天然氣供應緊張，我國目前天然氣缺口量達113億m3[1]。這些數值不僅是建筑運行所消耗的能源，也包括居民的供熱供暖消耗。這些缺口造成我國能源供應的巨大壓力，在暖通空調系統中應用節能環保技術將有助于節約能源，緩解能源壓力[2]。以地源熱泵中央空調在上海某小區暖通工程應用為例，闡述其性能特點及節能優勢。

1 工程概況

1.1 工程介紹

該項目為上海市奉賢區某居住小區，占地90畝，總建筑面積12.3萬m2。該小區始建于2016年3月，于2017年12月完工。該小區的建筑為現澆鋼筋混凝土框架結構，灌注樁基礎，按8度抗震設防。小區位于上海市奉賢區中心區域，周邊同樣為居住區，該小區目前入住率較高，各項基礎設施健全，周圍商圈較多，居民就近購物、娛樂、就醫、學習等非常便捷。建筑樓層之間分布均勻，房間采光良好，大部分房間坐北朝南，空氣流動暢通。

項目所處區域氣候為亞熱帶海洋性季風氣候，主要氣候特征是：四季分明，春天溫暖，夏季炎熱，秋季涼爽，冬季寒冷。平均全年降雨量適中，每個季節均有雨水。綜合說明該小區所處氣候溫暖濕潤，四季分明。經研究數據分析，小區所在區域內氣候溫度最高的為7～8月，超過35℃的高溫天數20天左右，夏季非常炎熱；冬季1月下旬到2月初溫度最低，0℃的寒冷天氣雖然不多，但偶爾出現（一般持續3天），月平均最高氣溫為31.8℃，月平均最低氣溫為0.3℃。

1.2 系統總冷熱負荷計算

按照最新頒布的上海市暖通節能空調標準，經多方驗證分析計算，在充分考慮外界因素對本工程的干擾下，工程總體夏季冷功率為60W/m2，冬季熱功率50W/m2；住宅夏季總冷功率：60W/m2×94400m2=5664kW，按照夏季室內熱環境設計標準和設定的計算條件，計算出的單位建筑面積空調設備年所要消耗的電能。住宅冬季總熱功率：50W/m2×94400m2=4720kW，按照冬季室內熱環境設計標準和設定的計算條件，計算出的單位建筑面積采暖設備年所要消耗的電能。根據設計要求的利用率進行統一整體考慮，最終以80%計算，該工程夏季及冬季的總冷功率分別為：4531.2，3776.0kW。

1.3 熱水用量分析

整個小區共658戶，所有居民每天最大使用熱水總量為92t，平均每戶居民使用熱水量為139.8L/d。熱水用量的高峰期為20:00-23:00，早間用水高峰期為06:00-08:00。但由于每天每季度用水不固定，平均用水量僅為參考。

1.4 小區空調主機挑選

根據小區居住實際情況總制冷量4531.2kW及總制熱量3776.0kW計算，項目擬設置2個空調主機房。主機選用廣東某空調機械設備公司生產組裝的6臺大型螺桿式土壤源熱泵機組SM（D）-160LR，可滿足工程項目既制冷又制熱的功能需求。

螺桿式風冷熱泵機組具有制冷量大、占地面積少的優點。螺桿式土壤源熱泵機依靠壓縮機內的滑閥進行能量調節，雖然初次投資稍大，但后期運行和維護費用低。在本小區空調主機的選擇過程中，選擇4臺螺桿風冷熱泵機組一備三用。但螺桿式土壤源熱泵機組存在冬季化霜效果差等問題，而且隨外界環境溫度的大幅下降，冷熱泵組的制熱、制冷能力也大幅下降。但從后期運營穩定性及未來的運行維護費用看，螺桿式風冷熱泵機組明顯優于模塊式風冷熱泵機組。

1.5 地埋管系統設計

根據項目實地情況和現場條件因素，本工程擬采用豎直雙U埋管形式進行安裝。整個安裝過程確保遵循設計要求，按間距4.5m鉆孔，每個孔深120m，孔徑160mm，每個井占地面積25m2。施工過程中由施工單位做好管線調查工作，并聯系原管線單位，避免施工管線與其他管線產生干擾。分水管與集水管分開布置，確保夏天每米井深釋放能量60W，冬天每米井深吸收能量50W。埋管總長度72498.14m，施工時間選定為春末夏初，為保證管道吸收熱量不產生結冰的危害，管道中加入25%乙二醇試劑進行溫度平衡調控。設計采用地埋管系統如圖1所示。

地上管道采用中粗砂敷設，敷設前中粗砂必須經過篩分，以滿足工程使用要求。同時確保中粗砂內不含堅硬雜物，以防刺破管道。管腋部回填中粗砂，同時做好管道層保護措施。在管道頂部50cm范圍內禁止使用機械施工，只能人工夯實。

根據工程現場實際情況和探測分析結果設置鉆孔的回填物料及熱物性，鉆孔形成后采用混合物灌漿回填，漿液含量為：10%水泥、15%膨潤土和75%細砂（粒徑滿足要求），在實際施工過程中必須要求漿液導熱系數大于所鉆孔巖土體的導熱系數。

2 地源熱泵系統

2.1 概念

淺層地熱能作為新型清潔能源，是位于地球表面層的一種新能源[3]。與深層地熱相比，淺層地熱能具有開采簡便、存儲量大、清潔、便于收集管理等優點。施工過程中通常采用水源熱泵、地源熱泵、地表水源熱泵等方式進行綜合利用。使用淺層地源熱泵可以為小區提供52%～64%的能源供應，可以節約螺桿式風冷熱泵機組30%～40%的運行成本和相關費用。

圖1 地埋管系統

2.2 特點

2.2.1 可再生能源

地源熱泵是將冷熱源與建筑物內的能量進行轉換的供暖空調系統。這種能源通常位于地球表面淺層，其溫度低于建筑室內溫度，主要可用于室內降溫。這種儲存于地表淺層的地位熱能屬于可再生潔凈能源，這也是目前大力開發的潔凈再生能源之一[4]。當前國家大力發展清潔、可再生能源，地表熱已成為推進能源科技創新的新選擇。

2.2.2 用途廣泛

地源熱泵系統不僅可供暖、供熱，同時也可用于小區內供水，系統功率大，可供絕大多數居民使用，尤其適合對環境要求較高的高端小區。地源熱泵的能源同樣可以用于學校、醫院、寫字樓、商場等大型建筑的供能，這種能源的使用不會產生污染性氣體，不會產生次生污染。

2.2.3 管理維修

與傳統空調相比，地源熱泵在相同使用環境下，整個居住區均可降低維護費用，僅前期投入比例較大。地源熱泵系統及其配件主要位于地下，受外界干擾較小，破壞損毀機率較低。傳統暖通空調安置于室外，受外界環境影響需定期維護保養。綜合計算，地源熱泵系統維護費較低且使用壽命長，達30年以上，同時，其自動控制程度高，無需安排專人維護。

2.3 地埋管式熱泵系統

2.3.4 熱井式土壤換熱器

目前采用另外一種埋管方式為熱井式土壤換熱器，如圖5所示，特點為簡便、安全、可靠。

通過計算機模擬結果顯示，在非穩態連續換熱過程結束后，4種換熱器周圍土壤溫度不同。雙U形地埋管換熱器管壁土壤溫度最高，套管換熱器管壁土壤溫度最低，單U形地埋管換熱器管壁土壤溫度處于兩者之間。由此可以定性比較3種地埋管換熱器換熱量的大小，最終在該小區采用了熱井式土壤熱換器埋管，便于更有效利用地下能源。巖土特征因地理分布不同而存在差異，巖土特性決定

圖2 水平式土壤換熱器埋管

圖3 U型式土壤換熱器埋管

圖4 垂直套管式土壤換熱器埋管

圖5 熱井式土壤換熱器埋管

2.3.1 水平式土壤換熱器

水平式土壤換熱器作為常用熱源地泵之一，其水平地埋管埋設深度及間距均需按設計要求進行，水平式土壤換熱器布置包括回灌井、回水管、設備間等[5]（見圖2）。

水平地埋管方式主要用于單相運行狀態的空調系統中，水平式埋管深度一般在2～4m，土壤在冬季較長時間內處于放熱狀態，埋管的溝渠深度要適宜，管與管之間的間距要合理。

2.3.2 垂直U型式土壤換熱器

目前常用的為U型式換熱器，其主要原理與水平布置相似。但安裝埋管的土壤換熱器布置流程與步驟存在差異。垂直式是先進行鉆孔，后將U形管深埋于地下，優勢明顯（見圖3）。

2.3.3 垂直套管式土壤換熱器

垂直套管式與U型式類似，同樣為垂直布置向下。但這種換熱器內套管及外套管形成閉路循環系統，地下水流可通過套管循環，管道分為出水管和入水管。整個系統分地上和地下部分，地下部分具有介質溶液，地上部分主要為護套、內管、出水管及過濾器等（見圖4）。土壤的熱物理性，地熱換熱器的傳熱性受巖土特征影響更為關鍵[6]。由于地區差異，設計和安裝地熱換熱器過程中將出現不穩定因素，進而影響整個小區地源熱泵空調系統運行使用。不同的地質結構層、巖土底層中設置豎直埋管地熱換熱器可能會影響傳熱性能，地層不同導致地埋管和地熱泵的使用受到影響[7]。安裝設計過程中必須對地層地勘結果進行認真分析，了解該地區影響換熱器使用的因素。在該項目地源熱泵系統安裝過程中也采用多種儀器進行土質及地下情況測定，最終結果如表1所示。

表1 不同參數巖土熱物性單位井深換熱量

3 其他節能管理措施

空調系統的使用方式不同決定能耗高低，地源熱泵空調后期的運行管理方式不同，決定了空調系統的實際運行費用高低。避免能源損耗，有利于削減不必要的開支。

小區建筑采用墻體保溫技術，外墻采用新型阻熱玻璃，避免能源損失。建議小區內使用節能設備，室內使用節能電器，照明盡量使用LED燈等。中央空調主機盡量選用能效較高的制冷設備，使用節能水泵，中央空調系統與樓宇自控系統相結合，遠程開關、設定使用。人為設定合理空調溫度，使用空調期間避免開窗透氣等。

根據小區內供暖要求分析，結合上海市工程標準中關于建筑形式、控制標準和外圍護結構特征、周邊氣候條件等要求，制定出切實可行的空調節能運行管理措施。經濟節能運行措施應包括以下方面。

1）確保設備在整個使用過程中保持良好運轉狀態，保證功率滿足要求。

2）結合氣候環境變化，根據天氣、室內負荷、建筑外圍護結構等情況選定合適的開停機時間，遠程實時控制或通過計算機系統實時操控。

3）收集、調查室內能量負荷、溫度變化及戶外氣候突變等情況，根據用戶需求進行調整。

4）定時檢查維修，保障空調自控系統良好的工作狀態。

5）做好污水潔凈防護，防止嚴重腐蝕、水體污染物生成及病毒、細菌滋生。

4 結語

地源熱泵系統不僅可以制熱、制冷，還可為相應的小區或建筑物提供生活熱水，一機多用。只需要使用1套系統就可以替換原來的鍋爐加空調的2套裝置或系統。尤其是對于學校、醫院等同時有供熱和供冷要求的建筑物，地源熱泵具有較明顯的優勢，能節省大量能源，符合我國建筑節能發展趨勢。地源熱泵目前已廣泛應用于賓館、居住小區、公寓、廠房、商場、辦公樓、學校等建筑，小型的地源熱泵更適合別墅住宅的采暖、制冷。

地源熱泵空調系統具有高效、節能、環保、綠色等優點。隨著科技進步，地源熱泵空調系統將逐漸產業化。該項目集中空調系統采用地源熱泵，最終運行測算得出工程總造價1675.62萬元，后期每年節省能源開支118萬元。地下熱源不會對周邊環境產生污染，能源使用具有可靠性保障，值得大力推廣。