嚴(yán)寒地區(qū)某示范工程土壤源熱泵系統(tǒng)概述

張　微，王楊洋，李　爽，劉　揚，于景曉

（吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，吉林　長春　130000）

嚴(yán)寒地區(qū)某示范工程土壤源熱泵系統(tǒng)概述

張微，王楊洋，李爽，劉揚，于景曉

（吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，吉林長春130000）

以長春市某高校一超低能耗示范建筑為例，從工程概況、空調(diào)冷熱源系統(tǒng)設(shè)計、室內(nèi)末端系統(tǒng)設(shè)計以及室外地埋管系統(tǒng)設(shè)計等幾個方面詳細(xì)介紹了該項目土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計過程，并總結(jié)了該土壤源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)亮點.

嚴(yán)寒地區(qū)；土壤源熱泵；太陽能；毛細(xì)管輻射

能源與環(huán)境問題是目前世界各國面臨的兩大社會問題，能源是社會進(jìn)步與經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人類對能源的需求也越來越大，過度地開采和使用化石燃料，不僅使傳統(tǒng)能源日漸枯竭，而且也造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題.我們國家雖然地大物博，能源總量較多，但是人口基數(shù)大，人均資源匱乏，人均資源占有量遠(yuǎn)低于世界平均水平.目前我國的能源消耗主要以煤炭為主，能源利用率較低，一方面，造成資源的極大浪費，另一方面，化石燃料的燃燒產(chǎn)生大量的CO2等有毒有害氣體，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染［1］.因此，節(jié)約能源、開發(fā)和利用新能源是解決全世界能源問題的主要手段.

在社會總能耗中，建筑能耗占據(jù)著相當(dāng)大的比例，約占社會總能耗的三分之一.近日，聯(lián)合國環(huán)境署指出，建筑全壽命期產(chǎn)生的碳排放占全球碳排放總量的30%，如按現(xiàn)有速度繼續(xù)增長，到2050年，建筑相關(guān)碳排放將占全球碳排放總量的50%，針對建筑物展開專項節(jié)能減排工作非常必要.在建筑總能耗中，采暖和空調(diào)能耗約占70%，是建筑總能耗的重要組成部分.因此，降低建筑能耗的主要目標(biāo)是降低采暖和空調(diào)能耗.近年來，在節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟的發(fā)展趨勢下，地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域中得到了快速發(fā)展.

地源熱泵技術(shù)是指通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現(xiàn)將熱量從淺層地?zé)豳Y源（包括地表水、地下水、土壤等）這種低位熱源向高位熱源轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)對建筑冬季供暖、夏季供冷以及全年熱水供應(yīng)的一項節(jié)能環(huán)保新技術(shù)［2］.根據(jù)淺層地?zé)豳Y源的不同，地源熱泵又可分為地表水熱泵、地下水熱泵和土壤源熱泵.本工程采用的就是土壤源熱泵系統(tǒng).

1　工程概況

該項目是位于吉林省長春市市寬城區(qū)蘭家鎮(zhèn)的一超低能耗示范建筑，需要夏季制冷、冬季制熱、以及生活熱水負(fù)荷.地源熱泵系統(tǒng)選擇一臺標(biāo)準(zhǔn)地源熱泵機組和一臺毛細(xì)管輻射式熱回收熱泵機組，太陽能系統(tǒng)選擇太陽能集熱板.根據(jù)對該工程所在區(qū)域土壤熱物性測試結(jié)果分析得到，該區(qū)域土壤的綜合導(dǎo)熱系數(shù)適中，土壤換熱器的換熱能力較好，地質(zhì)走勢均勻，容易成孔，實施土壤源熱泵系統(tǒng)完全可行.

2　土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計

對于嚴(yán)寒地區(qū)，冬季采暖期較長，長達(dá)5個月，采用土壤源熱泵系統(tǒng)可以實現(xiàn)冬季供暖，夏季制冷，但是冬季供暖熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于夏季空調(diào)冷負(fù)荷，從而導(dǎo)致土壤源熱泵系統(tǒng)夏季向土壤排放的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)補充不了冬季從土壤吸收的熱量，長期運行下去，使得周圍土壤溫度逐年下降，造成土壤的“冷堆積”問題，降低土壤源熱泵的運行效率.為了解決這種“冷堆積”問題，本項目采用太陽能作為作為輔助熱源，向土壤補充熱量，以解決土壤的這種冷熱失衡的現(xiàn)象，從而保證系統(tǒng)的運行效率.

2.1空調(diào)設(shè)計參數(shù)

長春地區(qū)空調(diào)室外計算參數(shù)，由規(guī)范［3］查得如表1所示.

表1　長春市空調(diào)室外設(shè)計參數(shù)表

室內(nèi)設(shè)計溫度為：冬季20度，相對濕度為45%；夏季26度，相對濕度為55%.

2.2空調(diào)冷熱源系統(tǒng)設(shè)計

本項目源側(cè)采用地?zé)崮芎吞柲芟到y(tǒng)，超低能耗建筑部分負(fù)荷側(cè)采用吊頂及墻壁輻射末端系統(tǒng)，并配合使用全熱回收新風(fēng)除濕機進(jìn)行室內(nèi)空氣除濕及室外空氣初步加熱；另一部分建筑主體按被動式廠房設(shè)計，并以全面送風(fēng)來滿足負(fù)荷側(cè)的供暖和制冷，有效利用源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的有機結(jié)合，實現(xiàn)了可再生能源的直接利用和間接利用.

2.2.1夏季運行方案

如圖1所示，夏季用于超低能耗建筑部分的熱回收主機采用全熱回收熱泵機組，并為新風(fēng)除濕新風(fēng)機組和毛細(xì)管輻射末端提供7℃/12℃的冷凍水；另一部分建筑采用標(biāo)準(zhǔn)熱泵機組，提供7℃/12℃的空調(diào)冷水來滿足夏季空調(diào)冷負(fù)荷.夏季在保證土壤換熱的情況下，可將太陽能制取多余的熱量排至地下，同時考慮土壤散熱能力可能受到影響，還可將太陽能制取多余的熱量貯存到熱水箱中，用于其他地方的熱水需求.

太陽能系統(tǒng)夏季用來提供生活熱水負(fù)荷（與熱泵可同時制取熱水，滿足熱水需求后切換至土壤儲熱模式），剩余的熱量排放至土壤中進(jìn)行儲存，以備冬季進(jìn)行熱量補充，從而調(diào)節(jié)和平衡土壤全年冷熱平衡.

2.2.2冬季運行方案

冬季開啟一臺毛細(xì)管輻射式全熱回收地源熱泵主機制取熱水（太陽能無法滿足熱水需求的情況下），當(dāng)熱水滿足的情況下，機組切換至制熱模式，來滿足超低能耗建筑部分冬季的熱負(fù)荷需求，同時開啟一臺標(biāo)準(zhǔn)地源熱泵主機來滿足另一部分建筑的空調(diào)熱負(fù)荷.

太陽能系統(tǒng)冬季用來提供生活熱水負(fù)荷外，將富裕的熱量用于輔助熱泵進(jìn)行供熱，調(diào)節(jié)平衡土壤全年冷熱平衡問題.

過渡季節(jié)開啟太陽能系統(tǒng)優(yōu)先制取生活熱水，剩下的熱量直接輸送至地源側(cè)土壤，用于調(diào)節(jié)并維持土壤冷熱平衡.

圖1　夏季土壤源熱泵系統(tǒng)系統(tǒng)運行原理圖

2.3室內(nèi)末端系統(tǒng)設(shè)計

本項目末端采用毛細(xì)管頂棚輻射系統(tǒng)供冷、供熱.毛細(xì)管輻射系統(tǒng)分為天棚埋管輻射系統(tǒng)、吊頂式輻射系統(tǒng)、毛細(xì)管輻射系統(tǒng)三種形式，輻射系統(tǒng)常與置換新風(fēng)相結(jié)合使用.輻射系統(tǒng)承擔(dān)建筑顯熱負(fù)荷，置換新風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷，實現(xiàn)熱濕單獨處理.

毛細(xì)管頂棚輻射能使室內(nèi)溫度均勻，無吹風(fēng)感，而且是零噪聲，讓人感覺到舒適，安靜.換熱面積大，可鋪裝絕對面積最大，換熱均勻，這是毛細(xì)管網(wǎng)不可替代的優(yōu)勢.

本項目夏季室內(nèi)設(shè)計溫度為26℃，冷水平均溫度與室內(nèi)溫度的溫度差為7℃，可知冷水平均溫度為19℃能滿足大部分房間的制冷需求.所以供冷供回水溫度為18℃/20℃.冬季室內(nèi)設(shè)計溫度為20℃，熱水溫度與室內(nèi)溫度的溫度差為11℃，熱水的平均溫度為31℃能滿足大部分房間的制熱需求.所以制熱溫度為供回水溫度為30℃/32℃.

熱濕單獨處理空調(diào)系統(tǒng)承擔(dān)著排除室內(nèi)余熱、余濕、CO2與異味的任務(wù).由于排除室內(nèi)余濕與排除CO2、異味所需要的新風(fēng)量與變化趨勢一致，即可以通過新風(fēng)同時滿足排除余濕、CO2與異味的要求，而排除室內(nèi)余熱的任務(wù)則通過其它的系統(tǒng)（獨立的溫度控制方式）實現(xiàn).由于無需承擔(dān)除濕的任務(wù)，因而較高溫度的冷源即可實現(xiàn)排除余熱的控制任務(wù).溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)中，采用溫度與濕度兩套獨立的空調(diào)控制系統(tǒng)，分別控制、調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度與濕度，從而避免了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中熱濕聯(lián)合處理所帶來的能量損失.由于溫度、濕度采用獨立的控制系統(tǒng)，可以滿足不同房間熱濕比不同的要求，克服了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中難以同時滿足溫、濕度參數(shù)的要求，避免了室內(nèi)濕度過高（或過低）的現(xiàn)象.溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的基本組件有：高溫冷源、余熱消除末端裝置組成了處理顯熱的空調(diào)系統(tǒng)，采用水作為輸送媒介，其輸送能耗僅是輸送空氣能耗的1/10～1/5.處理潛熱（濕度）的系統(tǒng)由新風(fēng)處理機組、送風(fēng)末端裝置組成，采用新風(fēng)作為能量輸送的媒介,同時滿足室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求，因為無冷凝水，避免霉菌的滋生.

熱濕單獨處理技術(shù)往往是結(jié)合輻射供冷暖系統(tǒng)，輻射系統(tǒng)承擔(dān)建筑顯熱負(fù)荷，而置換新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷.

2.4室外側(cè)系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)該項目的巖土熱物性測試，考慮埋孔區(qū)域面積及成本造價，本項目采用單U型埋管，單U型地埋管的夏季的排換熱能力約為48W/m，冬季的散熱能力約為29W/m.根據(jù)地源熱泵施工規(guī)范要求，地埋管選擇高密度聚乙烯管材，SDR11系列，額定承壓能力為1.6MPa.

根據(jù)本項目的地質(zhì)情況，打井深度為100米.打井個數(shù)：116個.為保證系統(tǒng)能過長期運行，所以需要將孔數(shù)后乘以5%的富余系數(shù)，以確保在今后系統(tǒng)運行中即使出現(xiàn)壞孔情況，系統(tǒng)也能夠正常運行.綜合考慮夏季地埋管的充分散熱、打井占地面積以及施工費用等因素，豎井間的距離保持在6m×6m，如遇地下其他構(gòu)筑物或管道等，適當(dāng)避讓.則：需埋設(shè)122個豎井，間距至少保證6m×6m，井深100米.

3　技術(shù)亮點

（1）地源熱泵系統(tǒng)：地表土壤是一個所含能量極其巨大的蓄能體，在土壤中因吸收太陽能以及其他形式的能量交換而儲存了大量的低品位能源.將低品位能源轉(zhuǎn)換成高品位能源加以利用.

（2）太陽能系統(tǒng)：陽光透過透明蓋板照射到表面涂有吸收層的吸熱體上，其中大部分太陽輻射能為吸收體所吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽飨蛄黧w通道中的平板太陽能集熱器.

（3）吊頂輻射系統(tǒng)：使用者和房間表面之間的能量傳遞通過輻射的方式進(jìn)行.輻射是在自然條件下調(diào)整各物體間的熱平衡，因此，毛細(xì)管制冷、采暖系統(tǒng)可充分提高室內(nèi)的舒適性.

（4）溫室獨立控制：采用溫度和濕度兩套獨立的空調(diào)系統(tǒng)，采用輻射吊頂調(diào)節(jié)溫度、新風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)濕度，分別控制調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度濕度.

（5）全熱回收：室內(nèi)排出的污濁空氣和室外送入的新鮮空氣既通過傳熱板交換溫度，同時又通過板上的微孔交換濕度，從而達(dá)到既通風(fēng)換氣又保持室內(nèi)溫、濕度穩(wěn)定的效果.熱交換效率大于70%.

4　結(jié)語

本項目采用的土壤源熱泵和太陽能系統(tǒng)都屬于國家政策所推崇的節(jié)能系統(tǒng)，地源熱泵利用土壤作為冷熱源，太陽能利用陽光作為熱源，零污染能源，節(jié)能率可達(dá)50%以上.習(xí)近平總書記在2015巴黎世界氣候大會上對巴黎協(xié)議提出的包括“引領(lǐng)綠色發(fā)展”在內(nèi)的四大中方主張，向世界傳遞出應(yīng)對全球氣候變化的中國聲音，將我國的綠色發(fā)展規(guī)劃提升到一個新的高度.在中國提交的國家自主貢獻(xiàn)文件中明確：控制煤炭消費總量，到2020年地?zé)崮芾靡?guī)模達(dá)到5000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤.這是新時期綠色發(fā)展的重大戰(zhàn)略舉措，是生態(tài)文明建設(shè)實施的重要途徑，將進(jìn)一步為我國發(fā)展地?zé)崮艿刃履茉串a(chǎn)業(yè)增添新的發(fā)展活力.

〔1〕張昌，胡平放，陳焰華，等.熱泵技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

〔2〕黃開林.嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵建筑應(yīng)用示范工程研究［D］.吉林建筑大學(xué)，2015.

TK521+.3；TQ051.5

A

1673-260X（2016）09-0145-03

2016-04-21

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項目（吉教科合字［2015］第576號）