智慧建筑中地源熱泵供暖系統(tǒng)的應(yīng)用研究

陳淑靜

（鄭州商學(xué)院建筑工程學(xué)院）

1 引言

由于當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，智慧建筑已經(jīng)走進(jìn)人們的生活中，許多辦公樓、學(xué)校、醫(yī)院和住宅等都已經(jīng)成為智慧型建筑。智慧建筑是一種計(jì)算機(jī)技術(shù)、生物識(shí)別技術(shù)、多媒體技術(shù)等多種現(xiàn)代技術(shù)與現(xiàn)代建筑相結(jié)合的新型建筑，通過(guò)對(duì)建筑的監(jiān)測(cè)與管理，優(yōu)化建筑環(huán)境，滿足人們對(duì)建筑安全、舒適、便捷的現(xiàn)代化要求。因北方冬季較為寒冷，北方城市在冬季對(duì)于供暖的需求與日俱增。北方以燃煤、燃?xì)鉃橹饕墓┡绞剑ㄟ^(guò)煤炭燃燒和天然氣燃燒加熱冷水，然后輸送至各房間暖氣片中，在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳和二氧化硫等污染物，這些污染物的排放導(dǎo)致北方空氣污染日益嚴(yán)重。于是，地源熱泵供暖系統(tǒng)走進(jìn)了人們的視線。

2 智慧建筑中地源熱泵供暖系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 地源熱泵供暖系統(tǒng)工作原理

地源熱泵供暖系統(tǒng)作為一種新型的供暖系統(tǒng)，在使用過(guò)程中產(chǎn)生的污染物極少，具有能量利用率高、使用方便等性能，對(duì)環(huán)境保護(hù)有重要意義。

地源熱泵系統(tǒng)也稱為地下水源熱泵系統(tǒng)，其原理是將含有地下溫度的水通過(guò)循環(huán)泵進(jìn)行抽取作業(yè)，通過(guò)輸入少量的能源實(shí)現(xiàn)低溫向高溫的轉(zhuǎn)移。但是大量的地下水減少將會(huì)導(dǎo)致地下水位出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)地上的建筑物產(chǎn)生危害[1]。若想避免這一問(wèn)題的出現(xiàn)，并且保持常年穩(wěn)定的運(yùn)行，則需要冬季從地下溫度場(chǎng)提出的熱量，與夏季向地下溫度場(chǎng)回灌的熱量保持平衡狀態(tài)。

2.2 安裝供暖輸配系統(tǒng)控制器

集中供熱系統(tǒng)熱力管網(wǎng)是連接熱源和熱用戶的重要結(jié)構(gòu)[2]，管道中管徑和摩擦比與阻力泵的大小決定了循環(huán)水泵揚(yáng)程的選擇。循環(huán)水泵提供使系統(tǒng)循環(huán)的動(dòng)力，克服系統(tǒng)環(huán)路中的壓力損失，通過(guò)板式換熱器進(jìn)行熱交換。供熱系統(tǒng)的水電計(jì)算如下：

公式（1）中：H為管網(wǎng)中各管段的流量參數(shù)，單位t/h；Qn為根據(jù)熱用戶設(shè)計(jì)的熱負(fù)荷，單位W；o為供暖熱水管路系統(tǒng)中水的比熱，單位℃；li-lh為管路系統(tǒng)中的供回水溫度差，單位℃。

2.3 選擇零壓差控制點(diǎn)

在傳統(tǒng)的分布式變頻供暖系統(tǒng)中，一般將供回水壓力相等的點(diǎn)定義為零壓差控制點(diǎn)。選擇最優(yōu)的零壓差控制點(diǎn)，使系統(tǒng)以最小的輸配電能耗達(dá)到最理想的供熱效果。零壓差臨界點(diǎn)是指當(dāng)系統(tǒng)的給水以及回水壓力管路在供熱總管的某一特定點(diǎn)相交時(shí)，水泵提供的功率可以克服支管的阻力損失[3]。供熱輸配電系統(tǒng)運(yùn)行消耗的能源最少，可滿足供熱需求。但實(shí)際工程中很難找到零壓差的臨界點(diǎn)，臨界點(diǎn)的大致位置只能通過(guò)水力圖的分析來(lái)確定。具體的零壓差控制點(diǎn)位于用戶處的水泵參數(shù)，如下表1所示。

表1 零壓差控制點(diǎn)位于用戶處的水泵參數(shù)

智能建筑的系統(tǒng)架構(gòu)基于物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層本身的需求進(jìn)行定制。物聯(lián)網(wǎng)識(shí)別層由各種傳感器、二維條碼標(biāo)簽組成[4]。為了使系統(tǒng)最大限度地減少輸配電能耗，選擇一個(gè)最優(yōu)的零壓差控制點(diǎn)，無(wú)節(jié)流阻力損失[5]。

2.4 智慧建筑中開啟供暖系統(tǒng)機(jī)組

供暖系統(tǒng)機(jī)組開啟前，首先檢查各種安全裝置和繼電器的額定值是否符合設(shè)計(jì)規(guī)定并正常運(yùn)行。在間接太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，考慮到流動(dòng)阻力和傳熱效率，這種換熱器需要與儲(chǔ)熱水罐組合，所以我們決定選擇盤管換熱器，應(yīng)當(dāng)選擇銅管。太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)換熱面積，如公式（2）所示：

公式（2）中：Rsi為集供熱系統(tǒng)換熱器面積，單位為m2；Qz為即熱系統(tǒng)與水箱換熱參數(shù)值；ε為換熱器結(jié)垢修正參數(shù)值；Msi為水箱熱損失，單位為kWh；to為換熱器盤管壓力損失，單位為MPa。運(yùn)行后，首先測(cè)試各設(shè)備是否有噪音，現(xiàn)場(chǎng)控制器能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，各設(shè)備的啟停延時(shí)是否可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。根據(jù)天氣影響，設(shè)計(jì)蓄熱系統(tǒng)必須考慮蓄熱問(wèn)題。通過(guò)水溫的升降來(lái)儲(chǔ)存和釋放熱量。水具有良好的流動(dòng)性和傳熱性，并且價(jià)格低廉，有相對(duì)較低的熱膨脹系數(shù)和粘度。因此，本項(xiàng)目采用水作為蓄熱介質(zhì)。

3 采暖效果數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)例分析

選擇郊區(qū)正在施工的某智慧建筑作為本次采暖試驗(yàn)效果分析的對(duì)象。該建筑面積1615.94m2，南北朝向，共四層，地上三層，層高3m。在智慧建筑的每一層地面鋪設(shè)供熱管道。如圖1所示。

圖1 智慧建筑地源熱泵供暖系統(tǒng)施工現(xiàn)場(chǎng)

施工前先檢驗(yàn)地埋管換熱器的防凍液、埋管長(zhǎng)度位置、水溫差是否符合工程的合格鑒定，出具鑒定報(bào)告。

具體試驗(yàn)臺(tái)水泵參數(shù)，如表2所示。

表2 試驗(yàn)臺(tái)水泵參數(shù)

3.2 采暖效果

各種供熱系統(tǒng)的能效主要是指加熱系統(tǒng)熱效率，這是供暖系統(tǒng)是否節(jié)能的重要指標(biāo)。使用文中地源熱泵供暖系統(tǒng)后，實(shí)際供暖面積為1255m2。建筑外墻傳熱系數(shù)為0.63W/(m2K)，外墻采用65mm泡沫聚苯乙烯板進(jìn)行隔熱。方案根據(jù)建筑的應(yīng)用特點(diǎn)和周邊環(huán)境進(jìn)行了針對(duì)性的優(yōu)化，供暖系統(tǒng)節(jié)能分析中最直觀的指標(biāo)是系統(tǒng)綜合能耗，為了檢測(cè)地源熱泵供暖系統(tǒng)的綜合能耗，設(shè)置每次測(cè)試系統(tǒng)分別運(yùn)行24h，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表3所示。

表3 地源熱泵供暖系統(tǒng)能耗kW·h

續(xù)表

通過(guò)觀察表2數(shù)據(jù)可知，文中系統(tǒng)第一次測(cè)試，24h總計(jì)耗能14.77/kW·h；第二次測(cè)試，總計(jì)耗能15.35/kW·h；第三次測(cè)試總計(jì)耗能12.91/kW·h。可以看出本文設(shè)計(jì)的地源熱泵供暖系統(tǒng)綜合能耗較低，為智慧建筑中地源熱泵供暖系統(tǒng)，提供參考依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

以地源熱泵供暖系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究地源熱泵供暖系統(tǒng)在智慧建筑中的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的地源熱泵供暖系統(tǒng)在冬季采用先進(jìn)的通過(guò)板式換熱器進(jìn)行熱交換，以垂直埋管地下交換器來(lái)傳輸?shù)乇脝卧獰峤粨Q到室內(nèi)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中24h的總計(jì)耗能大約14.34/kW·h，綜合能耗較低，實(shí)用性強(qiáng)，體現(xiàn)了智慧建筑的綠色節(jié)能的特點(diǎn)。