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)今社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，智慧建筑已經(jīng)走進人們的生活中，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。智慧建筑是一種計算機技術(shù)、生物識別技術(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，通過對建筑的監(jiān)測與管理，優(yōu)化建筑環(huán)境，滿足人們對建筑安全、舒適、便捷的現(xiàn)代化要求。因北方冬季較為寒冷，北方城市在冬季對于供暖的需求與日俱增。北方以燃煤、燃氣為主要的供暖方式，通過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，在燃燒過程中會產(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重。于是，地源熱泵供暖系統(tǒng)走進了人們的視線。

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，對環(huán)境保護有重要意義。

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循環(huán)泵進行抽取作業(yè)，通過輸入少量的能源實現(xiàn)低溫向高溫的轉(zhuǎn)移。但是大量的地下水減少將會導(dǎo)致地下水位出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，進而對地上的建筑物產(chǎn)生危害[1]。若想避免這一問題的出現(xiàn)，并且保持常年穩(wěn)定的運行，則需要冬季從地下溫度場提出的熱量，與夏季向地下溫度場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)水泵揚程的選擇。循環(huán)水泵提供使系統(tǒng)循環(huán)的動力，克服系統(tǒng)環(huán)路中的壓力損失，通過板式換熱器進行熱交換。供熱系統(tǒng)的水電計算如下：

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)計的熱負荷，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

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定義為零壓差控制點。選擇最優(yōu)的零壓差控制點，使系統(tǒng)以最小的輸配電能耗達到最理想的供熱效果。零壓差臨界點是指當(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相交時，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)運行消耗的能源最少，可滿足供熱需求。但實際工程中很難找到零壓差的臨界點，臨界點的大致位置只能通過水力圖的分析來確定。具體的零壓差控制點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)用層本身的需求進行定制。物聯(lián)網(wǎng)識別層由各種傳感器、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，選擇一個最優(yōu)的零壓差控制點，無節(jié)流阻力損失[5]。

2.4 智慧建筑中開啟供暖系統(tǒng)機組

供暖系統(tǒng)機組開啟前，首先檢查各種安全裝置和繼電器的額定值是否符合設(shè)計規(guī)定并正常運行。在間接太陽能熱水系統(tǒng)中，考慮到流動阻力和傳熱效率，這種換熱器需要與儲熱水罐組合，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。運行后，首先測試各設(shè)備是否有噪音，現(xiàn)場控制器能否實現(xiàn)自動控制，各設(shè)備的啟停延時是否可以實現(xiàn)自動化。根據(jù)天氣影響，設(shè)計蓄熱系統(tǒng)必須考慮蓄熱問題。通過水溫的升降來儲存和釋放熱量。水具有良好的流動性和傳熱性，并且價格低廉，有相對較低的熱膨脹系數(shù)和粘度。因此，本項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效果分析的對象。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

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

具體試驗臺水泵參數(shù)，如表2所示。

表2 試驗臺水泵參數(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泡沫聚苯乙烯板進行隔熱。方案根據(jù)建筑的應(yīng)用特點和周邊環(huán)境進行了針對性的優(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，為了檢測地源熱泵供暖系統(tǒng)的綜合能耗，設(shè)置每次測試系統(tǒng)分別運行24h，統(tǒng)計實驗數(shù)據(jù)并分析實驗結(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

通過觀察表2數(shù)據(jù)可知，文中系統(tǒng)第一次測試，24h總計耗能14.77/kW·h；第二次測試，總計耗能15.35/kW·h；第三次測試總計耗能12.91/kW·h?？梢钥闯霰疚脑O(shè)計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

以地源熱泵供暖系統(tǒng)為研究對象，重點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)計的地源熱泵供暖系統(tǒng)在冬季采用先進的通過板式換熱器進行熱交換，以垂直埋管地下交換器來傳輸?shù)乇脝卧獰峤粨Q到室內(nèi)。通過實驗數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)在實際應(yīng)用中24h的總計耗能大約14.34/kW·h，綜合能耗較低，實用性強，體現(xiàn)了智慧建筑的綠色節(jié)能的特點。