地源熱泵技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用及技術(shù)研究

(廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，佛山 528216)

0 引 言

隨著我國建筑行業(yè)不斷發(fā)展和進(jìn)步，對于建筑節(jié)能基礎(chǔ)需求隨之提升，傳統(tǒng)建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計上主要將關(guān)注點放在保溫效果上，但是此種模式所產(chǎn)生的質(zhì)量水平具有明顯限制，而地源熱泵技術(shù)的成功應(yīng)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 地源熱泵技術(shù)概論

1.1 技術(shù)原理

1.1.1 地埋管道系統(tǒng)

在地源熱泵技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)上，地埋管道系統(tǒng)又被稱為地下熱量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，主要利用工程建設(shè)技術(shù)手段按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格使用具有一定長度的管道埋入巖石層或者水環(huán)境結(jié)構(gòu)體系中，一端與熱泵機(jī)組相互連接，其中封閉模式下的管道內(nèi)部需要充滿熱量轉(zhuǎn)化介質(zhì)，比如：水資源或者液體物質(zhì)，使用機(jī)械力量推動管道中液體物質(zhì)達(dá)到循環(huán)流動最終發(fā)展目標(biāo)，由于管道內(nèi)部的液體物質(zhì)與管道外部環(huán)境溫度具有明顯的溫度差異性，所以需要介質(zhì)在管道內(nèi)部流動過程中不斷與地下環(huán)境的熱量交換，將熱量能源不斷傳輸至熱泵機(jī)組設(shè)備，通過熱泵機(jī)組將熱能傳輸至建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)中進(jìn)行日常使用。

1.1.2 室內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)

室內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)從本質(zhì)上來看，其自身屬于建筑內(nèi)部的風(fēng)機(jī)動力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)或者散熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)上屬于三級換熱模式，主要布置和設(shè)計在中央空調(diào)系統(tǒng)以及普通的鍋爐供暖系統(tǒng)中，在冬季環(huán)境下，熱泵機(jī)組能夠向散熱設(shè)備系統(tǒng)提供45～55度的熱水，而在夏季環(huán)境下熱泵機(jī)組則向風(fēng)機(jī)系統(tǒng)提供7～12度的冷凍水資源，為此建筑想要有效保證內(nèi)部溫度和供暖水平，需要對建筑物24小時提供熱水，同時針對特殊建筑結(jié)構(gòu)體應(yīng)該單獨設(shè)置一臺熱泵進(jìn)行常年供應(yīng)[1]。

1.2 節(jié)能性

地源熱泵技術(shù)在實施過程中，其節(jié)能效果主要表現(xiàn)在不同季節(jié)上，其中進(jìn)入夏季時該系統(tǒng)能夠通過自身設(shè)備運轉(zhuǎn)，將室內(nèi)的熱量通過轉(zhuǎn)化儲存至地層結(jié)構(gòu)中，完成夏季制冷需求。而在冬季供暖季節(jié)來臨時，則應(yīng)該利用專業(yè)設(shè)備將夏季儲存的熱量有效提取，最終完成冬季用戶采暖需求。地源熱泵技術(shù)最明顯技術(shù)優(yōu)勢和特點是在技術(shù)操作過程中，電力能源消耗相比傳統(tǒng)供熱模式來說較低，針對信息調(diào)查研究最終得出相關(guān)結(jié)論：地源熱泵設(shè)備每消耗一個單位的電能就可以有效生產(chǎn)出3～5個單位的熱能，所以地源熱泵技術(shù)的推廣和應(yīng)用在促進(jìn)能源利用率有效提升的同時，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目的。

2 地源熱泵技術(shù)優(yōu)勢

第一，地源在收集過程中的得到效率較高，由于地源熱泵能夠充分利用常溫環(huán)境下的土壤環(huán)境、地下水資源或者地表水資源中所蘊含的熱能，所以能夠?qū)崿F(xiàn)不限地點、時間以及收集范圍等方面優(yōu)勢。

第二，地源自身具有安全和穩(wěn)定性，并且地?zé)崮芰炕A(chǔ)含量十分豐富，能夠有效保證地面溫度的穩(wěn)定，能夠長期使用，十分安全可靠。除此之外，由于該能源屬于可再生能源，普遍具備一定可持續(xù)性，能源使用效率相對較高，同時能源在使用過程中不會對外界環(huán)境排放有害物質(zhì)、廢水以及廢渣等，不會產(chǎn)生環(huán)境污染，是一種十分理想的綠色環(huán)保操作技術(shù)。

第三，地源熱泵技術(shù)在實施過程中，設(shè)備功能十分全面，只需要使用相同機(jī)組設(shè)備，就能夠完成冬季供暖操作，而在夏季還能夠充分利用該系統(tǒng)向建筑物提供冷源，確保一套系統(tǒng)就能夠替換初始的鍋爐和空調(diào)兩套管理系統(tǒng)，不僅有效節(jié)省了能源使用，并且進(jìn)一步降低了設(shè)備基礎(chǔ)投資。同時，該技術(shù)適用范圍十分廣泛，能夠應(yīng)用在住宅建筑、別墅建筑、商用寫字樓建筑、醫(yī)院建筑以及商場等不同類型的建筑環(huán)境中，并且不限制建筑地區(qū)。

第四，地源熱泵技術(shù)普遍具備高效和節(jié)能等技術(shù)特點，一般地源熱泵系統(tǒng)在實際運轉(zhuǎn)過程中，每投入1 kW的能量，從而保證用戶能夠獲得4 kW以上的熱量物質(zhì)和制冷物質(zhì)[2]。加上現(xiàn)階段地源熱泵系統(tǒng)基礎(chǔ)熱量轉(zhuǎn)化效率相對較高，所以設(shè)備產(chǎn)生相同熱量和制冷數(shù)量時，僅需要小功率的壓縮設(shè)備就能夠有效實現(xiàn)，所消耗的基礎(chǔ)電量僅僅為中央空調(diào)系統(tǒng)以及鍋爐運轉(zhuǎn)系統(tǒng)的40%左右。除此之外，地源熱泵技術(shù)具有較高的舒適性和空氣質(zhì)量水平，其中氣體地源熱泵技術(shù)實施過程中一般使用全空氣管理系統(tǒng)，所以該系統(tǒng)的基礎(chǔ)舒適性較高，能夠確?？照{(diào)設(shè)備的風(fēng)量傳輸均勻，溫度分布十分合理，不會感受到過度的吹風(fēng)感。該技術(shù)實施所產(chǎn)生噪音相對較小，可以在任何地點和時間內(nèi)開展供熱運轉(zhuǎn)，室內(nèi)溫度可以根據(jù)個人的感受在一定的設(shè)計范圍內(nèi)設(shè)定。

3 地源熱泵技術(shù)運轉(zhuǎn)問題

3.1 技術(shù)問題

3.1.1 地區(qū)土壤特點

地源熱泵技術(shù)使用性能所發(fā)揮的優(yōu)勢與廣東地區(qū)土壤環(huán)境特點之間存在著明顯的聯(lián)系，由于地源熱泵系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的換熱設(shè)備最佳深度與埋設(shè)距離，主要以土壤環(huán)境中熱量物質(zhì)以及自然氣候條件作為理論根據(jù)，所以，地源熱泵技術(shù)實際應(yīng)用過程中，針對廣東地區(qū)土壤環(huán)境提出了極高的技術(shù)需求，經(jīng)過信息調(diào)查研究得出相關(guān)結(jié)論：廣東地區(qū)由于土壤性能不能滿足熱泵設(shè)備使用需求，阻礙了該技術(shù)全面推廣和應(yīng)用水平。除此之外，目前我國針對換熱設(shè)備熱量傳輸制度的研究仍然以理論作為主要模式，明顯缺少實踐應(yīng)用經(jīng)驗，所以如果不能有效將理論知識和實踐操作相互結(jié)合，不僅影響研究水平，還會阻礙實踐操作效果。

3.1.2 技術(shù)創(chuàng)新

在技術(shù)創(chuàng)新環(huán)節(jié)上，由于在不同冷熱基礎(chǔ)負(fù)荷環(huán)境下，地源熱泵技術(shù)應(yīng)用和研究仍然處于初級階段，影響該技術(shù)使用性能的充分發(fā)揮。所以，管理部門應(yīng)該將該技術(shù)研究重點側(cè)重在換熱設(shè)備、地下?lián)Q熱系統(tǒng)等方面，才能從根本上發(fā)揮出地源熱泵技術(shù)在節(jié)能環(huán)保方面的優(yōu)勢。

3.2 非技術(shù)問題

在地源熱泵技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用過程中，非技術(shù)性問題主要指的是約束該技術(shù)的全面推廣和應(yīng)用社會性因素，所以如果從宏觀角度進(jìn)行詳細(xì)分析，地源熱泵技術(shù)主要體現(xiàn)在專業(yè)技術(shù)人才的缺少以及地源熱泵質(zhì)量評定結(jié)構(gòu)體系等方面，雖然現(xiàn)階段我國已經(jīng)全面推行和宣傳地源熱泵技術(shù)，但是許多部門在宣傳該技術(shù)時，并不能制定出可行的技術(shù)操作標(biāo)準(zhǔn)和法律規(guī)則，從而將研究和工作重點放在設(shè)備機(jī)組節(jié)能操作方面上，最終阻礙了對地源熱泵技術(shù)宣傳和使用產(chǎn)生十分不利的影響。

4 地源熱泵技術(shù)建筑節(jié)能應(yīng)用策略

4.1 實際案例

廣州市全年平均氣溫為21.8度,全年最低溫度為0度,而最高溫度能夠達(dá)到38.7度,，在土壤地下4 m深度位置上，土壤表面上最高溫度為25度,左右，而該地區(qū)的最低溫度為17度左右。而在土壤地下深度7米位置，土壤環(huán)境最高溫度為23度左右，最低溫度保持在21度左右，在地下深度為10米位置上，全年的突然溫度基本上保持在22度左右，平均溫度變化不超過0.5度[3]。

針對此種溫度和自然條件，廣州市大多數(shù)區(qū)域使用管道填埋模式控制，當(dāng)管道填埋深度為4～10 m左右時，熱量選擇應(yīng)該達(dá)到熱泵機(jī)組基礎(chǔ)介質(zhì)溫度，夏季溫度需要保證在29～30°，冬季則達(dá)到14～15°左右，最終導(dǎo)致熱泵循環(huán)設(shè)備在夏季冷凝基礎(chǔ)溫度與冬季蒸發(fā)溫度不斷提升，但是進(jìn)行深度了解和分析最終得知：使用地源熱泵技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用時，該模式在冬季蒸發(fā)溫度隨著環(huán)境變化至少提升4～5度左右，明顯大于夏季冷凝溫度的下降幅度，而在夏季空調(diào)制冷循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，由于環(huán)境轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的蒸發(fā)溫度每提升1度，所增加的COP數(shù)值明顯大于冷凝溫度所增加的數(shù)值。由此可見，地源熱泵所展現(xiàn)出的節(jié)能效果在冬季制熱時更加明顯，由于廣東地區(qū)冬季無需供暖，所以此環(huán)節(jié)的節(jié)能效果無法有效完成和實現(xiàn)。此種現(xiàn)狀同樣是造成該技術(shù)在北方地區(qū)的過渡操作主要因素之一，廣州土壤溫度，見表1。

表1 廣州土壤溫度

4.2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)

熱泵空調(diào)系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)過程中，作為淺層的地?zé)岬蜏責(zé)嵩刺幚硐到y(tǒng)，主要利用熱泵技術(shù)向建筑供暖、制冷系統(tǒng)提供全新的空調(diào)服務(wù)技術(shù)和運轉(zhuǎn)模式，因此該系統(tǒng)主要由地下?lián)Q熱設(shè)備、熱泵設(shè)備機(jī)組以及末端系統(tǒng)等幾個環(huán)節(jié)共同構(gòu)成。該系統(tǒng)主要運轉(zhuǎn)功能主要將收集到的淺層地?zé)嵩搭^傳輸至設(shè)備中進(jìn)行結(jié)構(gòu)交換，以此實現(xiàn)向建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行供暖和制冷等最終目的。改造運行對比，見表2。

表2 改造運行對比

4.3 熱泵供水系統(tǒng)

根據(jù)地源熱泵技術(shù)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)分析，常見的熱泵熱水系統(tǒng)主要包含獨立的熱泵熱水系統(tǒng)以及復(fù)合的熱泵系統(tǒng)，其中熱泵供水系統(tǒng)主要指的是人們?nèi)粘Ｉ钪袑τ跓崴幕A(chǔ)要求，所以該功能主要由熱泵技術(shù)獨立承擔(dān)，不必聯(lián)合其他類型熱量源頭，而復(fù)合模式下的系統(tǒng)主要指的是由地?zé)釤岜没蛘咂渌愋洼o助熱源，以此共同承擔(dān)社會大眾對于熱水的基礎(chǔ)要求。

5 結(jié)束語

由此可見，根據(jù)現(xiàn)階段建筑施工現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)分析，普遍認(rèn)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(yīng)用于普通住宅及公用建筑，且經(jīng)濟(jì)實用，運行效果良好。