新型高效建筑節(jié)能技術(shù)地源熱泵應用研究

董方

（華紡房地產(chǎn)開發(fā)公司，北京 100018）

隨著我國建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，對建筑節(jié)能的要求越來越高。傳統(tǒng)的建筑產(chǎn)品設計一直把注意力放在如何提高保溫效果上，但無論怎樣做，效果終究是有限的，科學發(fā)展觀要求我們創(chuàng)造一種可持續(xù)的發(fā)展模式，在工程建設領(lǐng)域，開發(fā)利用新型清潔可再生能源成為建筑行業(yè)追求的目標，太陽能和地熱能的利用是當前條件下比較可行的2個發(fā)展方向。地源熱泵技術(shù)的成功應用實現(xiàn)了新能源利用技術(shù)的重大突破，也帶來了建筑節(jié)能理念的深刻變革。

1 地源熱泵系統(tǒng)的工作機理

大地淺層巖土體及地下水或地表水中蘊藏著豐富的能量，這些能量均來自太陽能。由于地溫的恒定性，地源熱泵系統(tǒng)就是通過消耗少量的高品位能源（電能）來提取蘊藏于地下的低品位能源從而為人類服務的。冬季地下巖土體或水體的溫度高于大氣的溫度，通過熱泵系統(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)，是通過工程手段將一定規(guī)格、一定長度的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），利用機械力促使U形管中的液體介質(zhì)循環(huán)流動，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)在流動過程中不斷地與地下環(huán)境進行熱交換，將大地熱能源源不斷地帶給熱泵機組，通過熱泵機組將熱能輸送到建筑物內(nèi)進行利用。

1.2 熱泵機組

熱泵機組是地下熱能向建筑物室內(nèi)進行轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié)，也是整個系統(tǒng)的中樞，一般由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機、節(jié)流閥等組成，地埋管介質(zhì)所帶來的地熱能在這里進行二次熱交換并向建筑物室內(nèi)輸送。熱泵機組可以改變傳熱方向，通過換向閥可以在任何時間實現(xiàn)供熱或制冷的切換。

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

1.3 室內(nèi)末端系統(tǒng)

室內(nèi)末端系統(tǒng)即建筑物內(nèi)的風機盤管換熱系統(tǒng)或散熱器系統(tǒng)，是三級換熱系統(tǒng)（負荷系統(tǒng)）。該系統(tǒng)的布置及設計與普通的中央空調(diào)系統(tǒng)及普通的鍋爐供暖系統(tǒng)沒有任何區(qū)別。在冬季熱泵機組可以向散熱器系統(tǒng)提供45～55℃的采暖熱水，夏季熱泵機組向風機盤管系統(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，專門單獨設置一臺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，地源熱泵利用淺層常溫土壤、地下水或地表水中所蘊藏的熱能，無處不在，隨地可取，特別容易獲得。

（2）能源的安全可靠性，地熱能蘊藏豐富，取之不盡，且地溫恒定，可長期利用，安全可靠。

（3）能源的可再生性，地熱能屬于清潔可再生能源，具有可持續(xù)性，使用效率較高，且不會向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，沒有任何污染，是一種理想的“綠色技術(shù)”。

（4）一機多用，功能全面。利用同一套機組，可實現(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)可以廣泛應用于普通住宅、別墅、公寓、寫字樓、學校、醫(yī)院、賓館酒店、商場、車站、機場、博物館及其他娛樂場所。從嚴寒地區(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)在運行過程中，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候，只需要小功率的壓縮機就可實現(xiàn)，其耗電量僅為普通中央空調(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—氣型地源熱泵系統(tǒng)，采用全空氣系統(tǒng)，舒適性好?？照{(diào)送風均勻，溫度分布合理，氣流速度小于0.3m/s，無吹風感。噪音小，采取降噪措施后可小于40dB?？梢栽谌魏螘r間進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)個人的感受在一定的設計范圍內(nèi)設定。

（8）低運行費、低維護費，壽命長。這也是該系統(tǒng)的最大的優(yōu)點。地源熱泵系統(tǒng)的高效節(jié)能特點決定了它的低運行費用，維修量極少，使用壽命同建筑物的使用壽命相同，折舊費和維修費也大大低于傳統(tǒng)空調(diào)。自動化程度高，無須專業(yè)人員操控。土—氣型地源熱泵系統(tǒng)的供暖和制冷奮勇只相當于普通的供暖和制冷技術(shù)費用的30%～60%。地源熱泵系統(tǒng)不帶室外安裝的設備，不設冷卻塔、屋頂風機，沒有室外設備安裝維護的費用。壓縮機工作穩(wěn)定，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)設備中制冷劑壓力過高或過低的現(xiàn)象，其維護費用大大低于中央空調(diào)。

（9）節(jié)省建筑空間、易于管理、運行靈活。沒有中央機房、冷卻塔、鍋爐房和其他室外設備及其附屬的煤場、渣場所占用的寶貴用地面積，沒有中央空調(diào)的集中占地問題，節(jié)省了空間和地皮，產(chǎn)生附加經(jīng)濟效益，并改善了環(huán)境外部形象。室內(nèi)系統(tǒng)是分散式系統(tǒng)，故每個區(qū)域的主風管道截面高度較小，不會像傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)那樣過多占用建筑內(nèi)的吊頂空間，從而保證每層的使用空間?？梢詫崿F(xiàn)機組獨立計費，分戶計量，方便管理。每臺機組可獨立供冷或供熱，個別機組故障不影響整個系統(tǒng)的運行。機組運行工況穩(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衰減，更不會結(jié)霜。

（10）經(jīng)濟性好。土—氣型地源熱泵系統(tǒng)的初裝費用與傳統(tǒng)的空調(diào)初裝費用相當，但運行費用比傳統(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，對用戶來說是十分經(jīng)濟的。

3 地源熱泵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及在我國的應用

從20世紀90年代中期以來，地源熱泵在世界上許多國家，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。至2005年，世界上33個國家已經(jīng)安裝了130萬臺地源熱泵裝置，總裝機15723MWt，是2000年的2.98倍。我國國土地理位置主要在溫帶，有相當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。地源熱泵在我國呈現(xiàn)出飛速發(fā)展的勢頭。我國利用熱泵技術(shù)的城市主要包括北京、沈陽等30多個城市，全國范圍利用水源熱泵和土壤源熱泵技術(shù)的面積已經(jīng)達到6000萬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)達到1052萬m2。

4 地源熱泵系統(tǒng)實際應用工程案例

4.1 中石化管理干部學院地源熱泵系統(tǒng)

中石化管理干部學院總建筑面積51711m2，由教學樓、圖書館、教研樓、綜合樓和體育活動中心組成，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個換熱孔，控徑150mm，孔深150m，孔間距5m，布管總長度57700m。根據(jù)建筑物布局和使用功能，總建設了4個熱泵機房，其中1#機房為體育中心提供冬季采暖和夏季制冷，選用1臺熱泵機組，制熱量1022kW，制冷量為820kW，機房占地面積85m2；2#機房為綜合樓提供冬季采暖和夏季制冷，選用8臺熱泵機組，總制熱量3040kW，總制冷量2880kW，占地面積210m2；3#機房為教研樓提供冬季采暖和夏季制冷，選用1臺機組，制熱量304kW，制冷量288kW，占地面積35m2；4#機房為教學樓和圖書館提供冬季采暖和夏季制冷，選用5臺熱泵機組，總制熱量1824kW，總制冷量1728kW，占地面積150m2。經(jīng)過2004年10月～2005年9月的運行實踐，根據(jù)測算實際運行費用為：冬季采暖20.1元/m2；夏季制冷13.4元/m2。

4.2 空軍豐臺招待所水源熱泵系統(tǒng)

空軍豐臺招待所是一所集住宿、會議、餐飲娛樂為一體的三星級酒店。建筑面積2.5萬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，井水換熱后通過回灌井返回地下。

本工程采用2臺GHP600型、1臺GHP300型熱泵機組，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GHP300型機組，常年提供24h生活熱水。

該系統(tǒng)2000年10月25日竣工并投入運行，目前運行效果良好，冬季室內(nèi)溫度可達22～27℃，已超過北京市供暖標準。根據(jù)測算，冬季采暖實際運行費用為13.5元/m2，夏季制冷實際運行費用15.3元/m2。

4.3 山水文園三期高檔住宅項目地源熱泵系統(tǒng)

山水文園三期住宅項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項目，總建筑面積19.8萬平方米，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)，地埋管匯集后與設置在某住宅樓地下室的分（集）水器相連接。該項目沒有采用集中熱泵機組，而是采用分散的戶式熱泵，于每戶適當位置設1臺水—水式水源熱泵機組（型號：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組，經(jīng)機組換熱后供室內(nèi)使用。該系統(tǒng)在2007～2008年度試運行，效果良好。

5 結(jié)語

通過本文的論述，我們認為地源熱泵技術(shù)具有節(jié)約能源的優(yōu)點，也可以廣泛應用于普通住宅及公用建筑，且經(jīng)濟實用，運行效果良好。