新型高效建筑節(jié)能技術(shù)地源熱泵應(yīng)用研究

董方

（華紡房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)公司，北京 100018）

隨著我國(guó)建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)建筑節(jié)能的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的建筑產(chǎn)品設(shè)計(jì)一直把注意力放在如何提高保溫效果上，但無(wú)論怎樣做，效果終究是有限的，科學(xué)發(fā)展觀要求我們創(chuàng)造一種可持續(xù)的發(fā)展模式，在工程建設(shè)領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)利用新型清潔可再生能源成為建筑行業(yè)追求的目標(biāo)，太陽(yáng)能和地?zé)崮艿睦檬钱?dāng)前條件下比較可行的2個(gè)發(fā)展方向。地源熱泵技術(shù)的成功應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了新能源利用技術(shù)的重大突破，也帶來(lái)了建筑節(jié)能理念的深刻變革。

1 地源熱泵系統(tǒng)的工作機(jī)理

大地淺層巖土體及地下水或地表水中蘊(yùn)藏著豐富的能量，這些能量均來(lái)自太陽(yáng)能。由于地溫的恒定性，地源熱泵系統(tǒng)就是通過(guò)消耗少量的高品位能源（電能）來(lái)提取蘊(yùn)藏于地下的低品位能源從而為人類服務(wù)的。冬季地下巖土體或水體的溫度高于大氣的溫度，通過(guò)熱泵系統(tǒng)提取地下的熱量向用戶供暖；夏季地下巖土體或水體的溫度低于大氣的溫度，則通過(guò)熱泵循環(huán)吸收室內(nèi)的熱量再釋放回地下巖土體或水體中。地源熱泵系統(tǒng)一般由3部分組成：地埋管道系統(tǒng)、熱泵機(jī)組、室內(nèi)末端系統(tǒng)。

1.1 地埋管道系統(tǒng)

地埋管道系統(tǒng)也稱為地下?lián)Q熱系統(tǒng)，是通過(guò)工程手段將一定規(guī)格、一定長(zhǎng)度的U形管道（塑料或金屬的）埋入溫度基本恒定的巖土層或水體中，并與熱泵機(jī)組相連接，封閉的U形管道內(nèi)充滿換熱介質(zhì)（水或其他液體），利用機(jī)械力促使U形管中的液體介質(zhì)循環(huán)流動(dòng)，由于管道內(nèi)的液體介質(zhì)與管道外的環(huán)境存在溫差，介質(zhì)在流動(dòng)過(guò)程中不斷地與地下環(huán)境進(jìn)行熱交換，將大地?zé)崮茉丛床粩嗟貛Ыo熱泵機(jī)組，通過(guò)熱泵機(jī)組將熱能輸送到建筑物內(nèi)進(jìn)行利用。

1.2 熱泵機(jī)組

熱泵機(jī)組是地下熱能向建筑物室內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié)，也是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，一般由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、節(jié)流閥等組成，地埋管介質(zhì)所帶來(lái)的地?zé)崮茉谶@里進(jìn)行二次熱交換并向建筑物室內(nèi)輸送。熱泵機(jī)組可以改變傳熱方向，通過(guò)換向閥可以在任何時(shí)間實(shí)現(xiàn)供熱或制冷的切換。

在夏季，壓縮機(jī)把低壓制冷劑蒸氣壓縮后，成為高壓制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器，在冷凝器中通過(guò)與地埋管提供的冷水進(jìn)行熱交換，制冷劑冷凝為高壓液體，經(jīng)熱力膨脹閥的節(jié)流膨脹后進(jìn)入蒸發(fā)器，與室內(nèi)負(fù)荷環(huán)境進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到建筑物室內(nèi)降溫的目的。在冬季，熱泵機(jī)組通過(guò)換向閥的切換，使制冷工況時(shí)的冷凝器在這時(shí)變?yōu)檎舭l(fā)器，制冷工況時(shí)的蒸發(fā)器變成冷凝器。通過(guò)蒸發(fā)器吸收地埋管提供的熱量，在機(jī)組循環(huán)的過(guò)程中向建筑物供熱。

1.3 室內(nèi)末端系統(tǒng)

室內(nèi)末端系統(tǒng)即建筑物內(nèi)的風(fēng)機(jī)盤管換熱系統(tǒng)或散熱器系統(tǒng)，是三級(jí)換熱系統(tǒng)（負(fù)荷系統(tǒng)）。該系統(tǒng)的布置及設(shè)計(jì)與普通的中央空調(diào)系統(tǒng)及普通的鍋爐供暖系統(tǒng)沒(méi)有任何區(qū)別。在冬季熱泵機(jī)組可以向散熱器系統(tǒng)提供45～55℃的采暖熱水，夏季熱泵機(jī)組向風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)提供7～12℃的空調(diào)冷凍水，如果需要給建筑物提供24h熱水，專門單獨(dú)設(shè)置一臺(tái)熱泵可以常年提供熱水。

2 地源熱泵技術(shù)的優(yōu)越性

（1）能源的可得性強(qiáng)，地源熱泵利用淺層常溫土壤、地下水或地表水中所蘊(yùn)藏的熱能，無(wú)處不在，隨地可取，特別容易獲得。

（2）能源的安全可靠性，地?zé)崮芴N(yùn)藏豐富，取之不盡，且地溫恒定，可長(zhǎng)期利用，安全可靠。

（3）能源的可再生性，地?zé)崮軐儆谇鍧嵖稍偕茉矗哂锌沙掷m(xù)性，使用效率較高，且不會(huì)向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，沒(méi)有任何污染，是一種理想的“綠色技術(shù)”。

（4）一機(jī)多用，功能全面。利用同一套機(jī)組，可實(shí)現(xiàn)在冬季向建筑物供暖、在夏季向建筑物提供冷源、一套系統(tǒng)可以替換原來(lái)的鍋爐和空調(diào)兩套裝置或系統(tǒng)，不僅接生了能源，而且減少了設(shè)備的初投資，并且可以向建筑物提供熱水等多重功能。

（5）適用范圍廣泛，地源熱泵技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于普通住宅、別墅、公寓、寫字樓、學(xué)校、醫(yī)院、賓館酒店、商場(chǎng)、車站、機(jī)場(chǎng)、博物館及其他娛樂(lè)場(chǎng)所。從嚴(yán)寒地區(qū)到熱帶地區(qū)均適用。

（6）高效節(jié)能特性，通常地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，每投入1kW的能量，用戶即可獲得4kW以上的熱量或冷量。地源熱泵系統(tǒng)的換熱效率很高，因此，在產(chǎn)生同樣熱量或冷量的時(shí)候，只需要小功率的壓縮機(jī)就可實(shí)現(xiàn)，其耗電量?jī)H為普通中央空調(diào)系統(tǒng)與鍋爐系統(tǒng)的40%～50%。

（7）舒適性好，空氣質(zhì)量高，低噪音。土—?dú)庑偷卦礋岜孟到y(tǒng)，采用全空氣系統(tǒng)，舒適性好。空調(diào)送風(fēng)均勻，溫度分布合理，氣流速度小于0.3m/s，無(wú)吹風(fēng)感。噪音小，采取降噪措施后可小于40dB。可以在任何時(shí)間進(jìn)行制冷模式和供熱模式的相互切換，室內(nèi)溫度可以根據(jù)個(gè)人的感受在一定的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)設(shè)定。

（8）低運(yùn)行費(fèi)、低維護(hù)費(fèi)，壽命長(zhǎng)。這也是該系統(tǒng)的最大的優(yōu)點(diǎn)。地源熱泵系統(tǒng)的高效節(jié)能特點(diǎn)決定了它的低運(yùn)行費(fèi)用，維修量極少，使用壽命同建筑物的使用壽命相同，折舊費(fèi)和維修費(fèi)也大大低于傳統(tǒng)空調(diào)。自動(dòng)化程度高，無(wú)須專業(yè)人員操控。土—?dú)庑偷卦礋岜孟到y(tǒng)的供暖和制冷奮勇只相當(dāng)于普通的供暖和制冷技術(shù)費(fèi)用的30%～60%。地源熱泵系統(tǒng)不帶室外安裝的設(shè)備，不設(shè)冷卻塔、屋頂風(fēng)機(jī)，沒(méi)有室外設(shè)備安裝維護(hù)的費(fèi)用。壓縮機(jī)工作穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)備中制冷劑壓力過(guò)高或過(guò)低的現(xiàn)象，其維護(hù)費(fèi)用大大低于中央空調(diào)。

（9）節(jié)省建筑空間、易于管理、運(yùn)行靈活。沒(méi)有中央機(jī)房、冷卻塔、鍋爐房和其他室外設(shè)備及其附屬的煤場(chǎng)、渣場(chǎng)所占用的寶貴用地面積，沒(méi)有中央空調(diào)的集中占地問(wèn)題，節(jié)省了空間和地皮，產(chǎn)生附加經(jīng)濟(jì)效益，并改善了環(huán)境外部形象。室內(nèi)系統(tǒng)是分散式系統(tǒng)，故每個(gè)區(qū)域的主風(fēng)管道截面高度較小，不會(huì)像傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)那樣過(guò)多占用建筑內(nèi)的吊頂空間，從而保證每層的使用空間。可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組獨(dú)立計(jì)費(fèi)，分戶計(jì)量，方便管理。每臺(tái)機(jī)組可獨(dú)立供冷或供熱，個(gè)別機(jī)組故障不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。機(jī)組運(yùn)行工況穩(wěn)定，幾乎不受環(huán)境溫度變化的影響，即使在寒冷的冬季制熱量也不會(huì)衰減，更不會(huì)結(jié)霜。

（10）經(jīng)濟(jì)性好。土—?dú)庑偷卦礋岜孟到y(tǒng)的初裝費(fèi)用與傳統(tǒng)的空調(diào)初裝費(fèi)用相當(dāng)，但運(yùn)行費(fèi)用比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)低50%，地源熱泵技術(shù)一般只需10年的時(shí)間就能收回成本，而傳統(tǒng)的戶式中央空調(diào)卻需要至少20年才能收回成本，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是十分經(jīng)濟(jì)的。

3 地源熱泵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及在我國(guó)的應(yīng)用

從20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，地源熱泵在世界上許多國(guó)家，尤其是在東歐、西歐和北美，一直有著持續(xù)高速發(fā)展的趨勢(shì)。至2005年，世界上33個(gè)國(guó)家已經(jīng)安裝了130萬(wàn)臺(tái)地源熱泵裝置，總裝機(jī)15723MWt，是2000年的2.98倍。我國(guó)國(guó)土地理位置主要在溫帶，有相當(dāng)豐富的淺層地源能資源，大力發(fā)展地源熱泵技術(shù)的條件十分優(yōu)越。地源熱泵在我國(guó)呈現(xiàn)出飛速發(fā)展的勢(shì)頭。我國(guó)利用熱泵技術(shù)的城市主要包括北京、沈陽(yáng)等30多個(gè)城市，全國(guó)范圍利用水源熱泵和土壤源熱泵技術(shù)的面積已經(jīng)達(dá)到6000萬(wàn)m2。截至2007年9月底，北京地區(qū)利用水源熱泵和土壤源熱泵供暖或制冷的面積已經(jīng)達(dá)到1052萬(wàn)m2。

4 地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用工程案例

4.1 中石化管理干部學(xué)院地源熱泵系統(tǒng)

中石化管理干部學(xué)院總建筑面積51711m2，由教學(xué)樓、圖書館、教研樓、綜合樓和體育活動(dòng)中心組成，采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為所有建筑提供冬季供暖和夏季制冷，系統(tǒng)于2003年年底投入使用。

地下話熱系統(tǒng)采用了垂直地埋管系統(tǒng)，共鉆取了364個(gè)換熱孔，控徑150mm，孔深150m，孔間距5m，布管總長(zhǎng)度57700m。根據(jù)建筑物布局和使用功能，總建設(shè)了4個(gè)熱泵機(jī)房，其中1#機(jī)房為體育中心提供冬季采暖和夏季制冷，選用1臺(tái)熱泵機(jī)組，制熱量1022kW，制冷量為820kW，機(jī)房占地面積85m2；2#機(jī)房為綜合樓提供冬季采暖和夏季制冷，選用8臺(tái)熱泵機(jī)組，總制熱量3040kW，總制冷量2880kW，占地面積210m2；3#機(jī)房為教研樓提供冬季采暖和夏季制冷，選用1臺(tái)機(jī)組，制熱量304kW，制冷量288kW，占地面積35m2；4#機(jī)房為教學(xué)樓和圖書館提供冬季采暖和夏季制冷，選用5臺(tái)熱泵機(jī)組，總制熱量1824kW，總制冷量1728kW，占地面積150m2。經(jīng)過(guò)2004年10月～2005年9月的運(yùn)行實(shí)踐，根據(jù)測(cè)算實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用為：冬季采暖20.1元/m2；夏季制冷13.4元/m2。

4.2 空軍豐臺(tái)招待所水源熱泵系統(tǒng)

空軍豐臺(tái)招待所是一所集住宿、會(huì)議、餐飲娛樂(lè)為一體的三星級(jí)酒店。建筑面積2.5萬(wàn)m2，夏季空調(diào)制冷，冬季暖氣片采暖，采用水源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

利用地下水作為冷、熱源，共鉆鑿換熱井5眼，3抽2灌，抽水井單井出水量120m2/h，水溫15℃左右，井水換熱后通過(guò)回灌井返回地下。

本工程采用2臺(tái)GHP600型、1臺(tái)GHP300型熱泵機(jī)組，在夏季提供7～12空調(diào)用冷凍水，冬季提供55～45采暖熱水。另選用1臺(tái)GHP300型機(jī)組，常年提供24h生活熱水。

該系統(tǒng)2000年10月25日竣工并投入運(yùn)行，目前運(yùn)行效果良好，冬季室內(nèi)溫度可達(dá)22～27℃，已超過(guò)北京市供暖標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)測(cè)算，冬季采暖實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用為13.5元/m2，夏季制冷實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用15.3元/m2。

4.3 山水文園三期高檔住宅項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)

山水文園三期住宅項(xiàng)目位于北京市十里河，是集高檔單元住宅、別墅為一體的住宅建設(shè)項(xiàng)目，總建筑面積19.8萬(wàn)平方米，共有6棟單元住宅樓（地下3層、地上最高14層，首層及二層為商業(yè)）、5棟別墅構(gòu)成。

該項(xiàng)目采用地源熱泵系統(tǒng)為建筑物供暖和制冷，地下?lián)Q熱系統(tǒng)采用巖土層垂直地埋管系統(tǒng)，鉆孔深度80～100m，其中部分地埋管位于建筑物下方，部分位于道路綠化區(qū)域內(nèi)，地埋管匯集后與設(shè)置在某住宅樓地下室的分（集）水器相連接。該項(xiàng)目沒(méi)有采用集中熱泵機(jī)組，而是采用分散的戶式熱泵，于每戶適當(dāng)位置設(shè)1臺(tái)水—水式水源熱泵機(jī)組（型號(hào)：L086WLD—HLA/AS，重246kg，額定制冷量22.3kW，額定制熱量30kW，制冷輸入功率5.5kW，制熱輸入功率6.5kW），地埋管內(nèi)的換熱介質(zhì)經(jīng)分—集水器后直接送入各戶的熱泵機(jī)組，經(jīng)機(jī)組換熱后供室內(nèi)使用。該系統(tǒng)在2007～2008年度試運(yùn)行，效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的論述，我們認(rèn)為地源熱泵技術(shù)具有節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn)，也可以廣泛應(yīng)用于普通住宅及公用建筑，且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，運(yùn)行效果良好。