地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用分析

文/何耀炳，華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和民眾生活水平的不斷提高，居住環(huán)境舒適度的問題也越來越受到人們的重視，其中暖通空調(diào)作為高層建筑中用于控制空氣溫度和濕度的系統(tǒng)設(shè)備，在為人們提高居住舒適度的同時(shí)也帶了很多環(huán)保問題。傳統(tǒng)方式運(yùn)行的暖通空調(diào)不僅能耗巨大，還會(huì)排放很多的污染物質(zhì)，給環(huán)境帶來嚴(yán)重危害。而地?zé)嶙鳛榈厍騼?nèi)部清潔無污染且儲(chǔ)量巨大的能源，將其以地源熱泵技術(shù)的形式來應(yīng)用到暖通空調(diào)中不但可以很好地解決以往困擾人們的環(huán)保問題，還能很好地提高人們的居住舒適度。

1 大地耦合熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用

大地耦合熱泵指的是將地表淺層土壤作為熱源或熱匯，并以水平或U型管的形式將耦合式地?zé)峤粨Q器安放在預(yù)設(shè)的地溝中或豎井中，接著將交換器和建筑內(nèi)的環(huán)路進(jìn)行連接的一種地源熱泵技術(shù)，其具備波動(dòng)溫度小、降低以往空調(diào)運(yùn)行中出現(xiàn)空氣、熱和噪聲污染的可能性及最大限度利用太陽能的優(yōu)點(diǎn)，其按照不同形式有以下分類：

1.1 間接式大地耦合熱泵，通過熱泵工質(zhì)-水換熱器的間接形式進(jìn)行換熱，主要用鹽水溶液和載冷劑在蒸發(fā)器或熱源間交換熱量，有著減少制冷劑充灌量、增加熱泵系統(tǒng)靈活性并降低工程量的優(yōu)點(diǎn)，但也有著需要額外引入交換器會(huì)導(dǎo)致增加成本的缺點(diǎn)；

1.2 直接式大地耦合熱泵，通過埋于地下的盤管膨脹來交換熱量，通常是將一或兩根長(zhǎng)90米的銅管用做兩缸或三缸的壓縮機(jī)埋入地下，從地下抽熱，成本小，能有效減少投資，特別適合普通家庭使用；

1.3 水平式大地耦合熱泵，通過聚乙烯硬塑料管進(jìn)行換熱，管長(zhǎng)不超過100米，熱泵工質(zhì)采用鹽水溶液，可以在零下15攝氏度時(shí)正常運(yùn)行，通過鹽水溶液來吸收熱量；

1.4 垂直式大地耦合熱泵，將由內(nèi)外兩根管子組成的導(dǎo)管垂直安放在土壤中，借助其進(jìn)行吸熱，管深可超過100米，通常以金屬或聚乙烯塑料為材料構(gòu)成。

2 地下水熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用

地下水熱泵技術(shù)是各種地源熱泵技術(shù)中得到最廣泛應(yīng)用的一種，該類熱泵技術(shù)通過地下深井水，依靠熱匯、熱源進(jìn)行制冷或供熱。因?yàn)榈叵律罹惶幱谳^深地層中，在隔熱和蓄熱的作用下，不但深度較淺，而且水溫常年保持不變，這對(duì)熱泵的運(yùn)行有著顯著的優(yōu)勢(shì)，具體來講表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1 水井布局緊湊、占地面積小，有利于地下水抽取和回灌工作的開展；

2.2 針對(duì)大地耦合熱泵而言，地式熱交換器單位容量造價(jià)基本固定，改善成本較小，且井水單位容量成本極低，只需要擁有普通流量即可滿足整棟建筑物的需求；

2.3 同傳統(tǒng)的中央空調(diào)HVAC系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)良好的地下熱泵系統(tǒng)基本上不需要使用特別的費(fèi)用來進(jìn)行維護(hù)，若地下水回灌到蓄水層，也不會(huì)影響整個(gè)地層中的實(shí)際含水量。這將避免出現(xiàn)底層沉降的問題，有效保護(hù)當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境和生態(tài)環(huán)境；

2.4 很多商業(yè)系統(tǒng)使用地下水熱泵技術(shù)已經(jīng)數(shù)十年了，多年的實(shí)踐已使該技術(shù)十分成熟，這有利于施工順利。

但同時(shí)地下水熱泵技術(shù)也存在著以下幾點(diǎn)不足：

2.4.1 采用含水層蓄水來調(diào)節(jié)空調(diào)，其溫度將受到一定限制；

2.4.2 若鉆井施工或井水水質(zhì)不佳，會(huì)造成地下水污染；

2.4.3 若熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理或取水位置較深，將增加泵消耗的成本。

3 案例設(shè)計(jì)

一工程項(xiàng)目為某公司安裝中央空調(diào)，公司包括地下一層和地上十二層，總高度48米，建筑面積為68000平方米。

空調(diào)冷熱源：本工程所采用空調(diào)面積為46962平方米，空調(diào)冷負(fù)荷為6600KW，熱負(fù)荷為4900KW，選用螺桿式地源熱泵機(jī)組四臺(tái)，制冷量1696KW、輸入功率283.6KW，制熱量1502KW、輸入功率34 7.5KW。

室外地埋管采用豎直U形埋管的形式，根據(jù)就近地源熱泵項(xiàng)目所做的熱相應(yīng)測(cè)試結(jié)果來確定埋管數(shù)量和形式，最終依照建筑物室外總平面和估算地質(zhì)情況，采用DN32,雙U型垂直埋管換熱器，管之間間隔4米，采用水平非集管式連接

室外垂直設(shè)計(jì)：選用PE管U型單排管D25 2.3+0.5/PE100 1.6MP a，管用于埋管的豎井之間間距4*4米，埋管井徑D160，井深102米，指標(biāo)為制冷60W/米，制熱45W/米

冷負(fù)荷制冷量6150KW/小時(shí)，熱負(fù)荷制熱量4500KW/小時(shí)

本工程所安裝空調(diào)夏季冷負(fù)荷6150KW/小時(shí)，COP值取6，運(yùn)行取120天，冬季熱負(fù)荷4500KW/小時(shí)，COP值取4.5，運(yùn)行取120天，空調(diào)季均負(fù)荷0.7，日均負(fù)荷0.9每天運(yùn)行8小時(shí)，得出其整個(gè)夏季將向大地放熱4339440KW，冬季將向大地吸熱2086560KW，中間有著52%的不平衡率。若不平衡率由土壤承擔(dān)會(huì)造成土壤冷熱失衡。這時(shí)本工程采用冷卻塔來解決這一失衡問題，保證土壤溫度的平衡。

本工程使用雙U型管的垂直耦合埋管法，埋管區(qū)域設(shè)計(jì)在綠化帶和裙房建筑基礎(chǔ)內(nèi)，提高了埋管的換熱效率，埋管材料選用型號(hào)HDPE -100、管徑Φ25，壁厚2.3MM的材料，這種管道可以耐受1.6MPA的壓力，埋管時(shí)運(yùn)用對(duì)管的U型穹頭采用電熔焊接，以保證管道接頭的連接強(qiáng)度和焊接質(zhì)量。

經(jīng)計(jì)算得出：夏季期間制冷電費(fèi)為767520元，冬季供暖電費(fèi)為783628元，全年運(yùn)行費(fèi)用為1551148元。而傳統(tǒng)的制冷和供暖方式全年運(yùn)行費(fèi)用為2459443元，節(jié)省費(fèi)用90萬元。按熱電廠每發(fā)1KW H點(diǎn)耗費(fèi)0.361千克標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算，每年可節(jié)省能源433噸，環(huán)保優(yōu)勢(shì)十分明顯。

4 總結(jié)

綜上所述，本文集中研究了地源熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用方式和應(yīng)用效果，應(yīng)用地源熱泵技術(shù)中的大地耦合熱泵、地下水熱泵和污水源熱泵可以取得節(jié)省建筑成本，減少能源消耗量和污染物質(zhì)排放量的良好效果，希望本文的研究可以更好地提升我國(guó)地源熱泵技術(shù)的總體水平，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，為我國(guó)空調(diào)系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]邵明亮.地源熱泵在建筑空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析[J].科技致富向?qū)В?011