談暖通空調(diào)節(jié)能問題與地源熱泵的實際應(yīng)用

黃長暉

(石家莊世紀(jì)正暉冷氣機(jī)電有限公司，河北石家莊 050000)

最近惡劣天氣頻發(fā)、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(diào)技術(shù)創(chuàng)新勢在必行，節(jié)能建筑成為建筑發(fā)展的必要趨勢。因此，在空調(diào)設(shè)計中應(yīng)注意綠色能源和可再生能源的使用;空調(diào)系統(tǒng)方案節(jié)能，充分回收能量，并盡可能利用天然能源。

暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗主要體現(xiàn)出三個主要特征:1)降低能量使用效率的原因是系統(tǒng)的設(shè)計及運(yùn)行管理不合格等因素的影響;2)季節(jié)性的變化是由于室內(nèi)空氣環(huán)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(diào)系統(tǒng)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(huán)上有所改變，從而做到節(jié)能。

設(shè)計方案的選定對于項目節(jié)能效果是否突出起著決定性作用。地源熱泵形式中央空調(diào)近幾十年來發(fā)展形勢迅速但國內(nèi)尚處在初步階段，以下結(jié)合我在工作中的實際案例做詳細(xì)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(qū)一期工程，總建筑面積80000 m2，地下100 m內(nèi)以沙土為主，鉆孔費(fèi)用較低，適合使用地源熱泵系統(tǒng)。

1.2 項目規(guī)劃

以甲方的方案為基礎(chǔ)，以適用、經(jīng)濟(jì)、安全為原則，采暖及熱水設(shè)計均符合現(xiàn)行國家規(guī)范和地方相關(guān)條例的要求，并采用新技術(shù)、新材料、新設(shè)備，做到技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理，充分展示“以人為本”的現(xiàn)代設(shè)計理念，體現(xiàn)“人性化”設(shè)計，創(chuàng)造環(huán)境優(yōu)美，功能完善的人性化社區(qū)，最終實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益、環(huán)境效益的統(tǒng)一。

2 示范目標(biāo)及主要內(nèi)容

2.1 主要內(nèi)容

金廈新城通過以地源熱泵系統(tǒng)為熱源向用戶提供高效、節(jié)能、環(huán)保的采暖方式，為建設(shè)節(jié)能環(huán)保型建筑打好基礎(chǔ)。

2.2 目標(biāo)

1)地下?lián)Q熱部分初投資控制在58.89元/m2。2)對地下水“三不”的目標(biāo)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(biāo)示范:本系統(tǒng)不耗燃油、燃煤和燃?xì)?，只耗少量電。裝機(jī)功率僅17 W/m2。4)提前實現(xiàn)65%建筑節(jié)能的示范目標(biāo):本工程做了外墻保溫，整體建筑完全可以達(dá)到65%的節(jié)能目標(biāo)，在河北省建筑節(jié)能方面具有帶頭作用。

3 工程示范技術(shù)方案

3.1 冷熱負(fù)荷估算

地下土壤熱物性取熱量按38 W計算。

3.2 氣象數(shù)據(jù)計算

所在城市為邢臺市任縣，任縣地處東部季風(fēng)型、南濕帶氣候帶亞溫潤區(qū)，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(shù)為2567.5 h，年平均無霜期197 d。

采暖天數(shù):120 d。

3.3 熱負(fù)荷估算

本工程為住宅項目，結(jié)合建筑設(shè)計功能要求，根據(jù)同類建筑設(shè)計經(jīng)驗、實際使用特點(diǎn)和運(yùn)行經(jīng)驗，采用地源熱泵、水源熱泵相結(jié)合的方式。

鉆孔數(shù)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(tǒng)方案比較

方案一:冬季采用以城市集中供熱為熱源的室內(nèi)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(tǒng)(推薦方案)。

地源熱泵利用的是淺層地?zé)崮?，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(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能前提下，采用地板輻射水系統(tǒng)，利用地源熱泵機(jī)組與垂直埋管的土壤換熱系統(tǒng)及地板輻射系統(tǒng)相耦合。冬季利用地源熱泵提取淺層地?zé)崮芄┡?，以達(dá)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(tǒng)工作原理示意圖

地源熱泵系統(tǒng)具有很高的能效比，該系統(tǒng)供熱的一次能源效率可達(dá)到1.3，而家用分體空調(diào)為0.77。分體空調(diào)單位建筑面積的裝機(jī)功率為40 W～50 W。

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

1)土壤熱交換器地源熱泵:

該系統(tǒng)包括一個土壤耦合地?zé)峤粨Q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(dāng)中，不同的管溝或豎井中的熱交換器并聯(lián)連接，再通過不同的集管進(jìn)入建筑中與建筑物內(nèi)的水環(huán)路相連接。工作原理見圖2。

a.地下土壤換熱系統(tǒng)的類型:地下土壤換熱系統(tǒng)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(yùn)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?lián)Q熱器的管材:埋入地下的管材首先要保證化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)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(yán)重不足，而土壤腐蝕性會比空氣更嚴(yán)重。另一方面，由于埋入地下的管材較多，應(yīng)優(yōu)先使用造價低的管材。目前使用較普遍的是復(fù)合塑料管，如PEX，高密度PE，PB，PP-R等。綜合各項指標(biāo)，高密度PE管是最適合的。

2)地下水地源熱泵系統(tǒng):地下水地源熱泵系統(tǒng)是將地下水直接供應(yīng)到每臺熱泵機(jī)組，之后將井水回灌地下，由于可能會導(dǎo)致管路阻塞，或管路腐蝕的發(fā)生，故通常不建議采用這種系統(tǒng)，有時可根據(jù)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(tǒng):地表水地源熱泵系統(tǒng)(由潛在水面以下、多重并聯(lián)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(qū)需要進(jìn)行防凍處理。

3.5 金廈新城地源熱泵方案

根據(jù)地質(zhì)資料，地下100 m以內(nèi)地質(zhì)條件較好，鉆孔費(fèi)用較低。具備使用地源熱泵的條件。

根據(jù)建筑平面圖及地質(zhì)條件，結(jié)合近年來的實踐經(jīng)驗與科學(xué)研究，地埋管換熱管網(wǎng)采用深度100 m，孔間距4 m，孔徑0.22 m，鉆孔數(shù)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(shù)，埋管布置在綠地及小區(qū)道路下部1.5 m深，垂直埋管的連接采用管束同程式系統(tǒng)。按小區(qū)規(guī)劃圖，小區(qū)內(nèi)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(tǒng)

地能地板冷暖空調(diào)系統(tǒng)由外墻外保溫系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、地板輻射系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)等構(gòu)成。

綜上所述，地源熱泵系統(tǒng)中央空調(diào)在實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能問題上走在了行業(yè)的前列，并值得政府及行業(yè)大力推廣。