严寒地区某示范工程土壤源热泵系统概述

张　微，王杨洋，李　爽，刘　扬，于景晓

（吉林建筑大学城建学院，吉林　长春　130000）

严寒地区某示范工程土壤源热泵系统概述

张微，王杨洋，李爽，刘扬，于景晓

（吉林建筑大学城建学院，吉林长春130000）

以长春市某高校一超低能耗示范建筑为例，从工程概况、空调冷热源系统设计、室内末端系统设计以及室外地埋管系统设计等几个方面详细介绍了该项目土壤源热泵系统的设计过程，并总结了该土壤源热泵系统的技术亮点.

严寒地区；土壤源热泵；太阳能；毛细管辐射

能源与环境问题是目前世界各国面临的两大社会问题，能源是社会进步与经济发展的物质基础，随着社会经济的不断发展，人类对能源的需求也越来越大，过度地开采和使用化石燃料，不仅使传统能源日渐枯竭，而且也造成了严重的环境问题.我们国家虽然地大物博，能源总量较多，但是人口基数大，人均资源匮乏，人均资源占有量远低于世界平均水平.目前我国的能源消耗主要以煤炭为主，能源利用率较低，一方面，造成资源的极大浪费，另一方面，化石燃料的燃烧产生大量的CO2等有毒有害气体，造成了严重的环境污染［1］.因此，节约能源、开发和利用新能源是解决全世界能源问题的主要手段.

在社会总能耗中，建筑能耗占据着相当大的比例，约占社会总能耗的三分之一.近日，联合国环境署指出，建筑全寿命期产生的碳排放占全球碳排放总量的30%，如按现有速度继续增长，到2050年，建筑相关碳排放将占全球碳排放总量的50%，针对建筑物展开专项节能减排工作非常必要.在建筑总能耗中，采暖和空调能耗约占70%，是建筑总能耗的重要组成部分.因此，降低建筑能耗的主要目标是降低采暖和空调能耗.近年来，在节能、环保、经济的发展趋势下，地源热泵技术在暖通空调领域中得到了快速发展.

地源热泵技术是指通过输入少量的高品位能源（如电能），实现将热量从浅层地热资源（包括地表水、地下水、土壤等）这种低位热源向高位热源转移，从而实现对建筑冬季供暖、夏季供冷以及全年热水供应的一项节能环保新技术［2］.根据浅层地热资源的不同，地源热泵又可分为地表水热泵、地下水热泵和土壤源热泵.本工程采用的就是土壤源热泵系统.

1　工程概况

该项目是位于吉林省长春市市宽城区兰家镇的一超低能耗示范建筑，需要夏季制冷、冬季制热、以及生活热水负荷.地源热泵系统选择一台标准地源热泵机组和一台毛细管辐射式热回收热泵机组，太阳能系统选择太阳能集热板.根据对该工程所在区域土壤热物性测试结果分析得到，该区域土壤的综合导热系数适中，土壤换热器的换热能力较好，地质走势均匀，容易成孔，实施土壤源热泵系统完全可行.

2　土壤源热泵系统设计

对于严寒地区，冬季采暖期较长，长达5个月，采用土壤源热泵系统可以实现冬季供暖，夏季制冷，但是冬季供暖热负荷远大于夏季空调冷负荷，从而导致土壤源热泵系统夏季向土壤排放的热量远远补充不了冬季从土壤吸收的热量，长期运行下去，使得周围土壤温度逐年下降，造成土壤的“冷堆积”问题，降低土壤源热泵的运行效率.为了解决这种“冷堆积”问题，本项目采用太阳能作为作为辅助热源，向土壤补充热量，以解决土壤的这种冷热失衡的现象，从而保证系统的运行效率.

2.1空调设计参数

长春地区空调室外计算参数，由规范［3］查得如表1所示.

表1　长春市空调室外设计参数表

室内设计温度为：冬季20度，相对湿度为45%；夏季26度，相对湿度为55%.

2.2空调冷热源系统设计

本项目源侧采用地热能和太阳能系统，超低能耗建筑部分负荷侧采用吊顶及墙壁辐射末端系统，并配合使用全热回收新风除湿机进行室内空气除湿及室外空气初步加热；另一部分建筑主体按被动式厂房设计，并以全面送风来满足负荷侧的供暖和制冷，有效利用源侧和负荷侧的有机结合，实现了可再生能源的直接利用和间接利用.

2.2.1夏季运行方案

如图1所示，夏季用于超低能耗建筑部分的热回收主机采用全热回收热泵机组，并为新风除湿新风机组和毛细管辐射末端提供7℃/12℃的冷冻水；另一部分建筑采用标准热泵机组，提供7℃/12℃的空调冷水来满足夏季空调冷负荷.夏季在保证土壤换热的情况下，可将太阳能制取多余的热量排至地下，同时考虑土壤散热能力可能受到影响，还可将太阳能制取多余的热量贮存到热水箱中，用于其他地方的热水需求.

太阳能系统夏季用来提供生活热水负荷（与热泵可同时制取热水，满足热水需求后切换至土壤储热模式），剩余的热量排放至土壤中进行储存，以备冬季进行热量补充，从而调节和平衡土壤全年冷热平衡.

2.2.2冬季运行方案

冬季开启一台毛细管辐射式全热回收地源热泵主机制取热水（太阳能无法满足热水需求的情况下），当热水满足的情况下，机组切换至制热模式，来满足超低能耗建筑部分冬季的热负荷需求，同时开启一台标准地源热泵主机来满足另一部分建筑的空调热负荷.

太阳能系统冬季用来提供生活热水负荷外，将富裕的热量用于辅助热泵进行供热，调节平衡土壤全年冷热平衡问题.

过渡季节开启太阳能系统优先制取生活热水，剩下的热量直接输送至地源侧土壤，用于调节并维持土壤冷热平衡.

图1　夏季土壤源热泵系统系统运行原理图

2.3室内末端系统设计

本项目末端采用毛细管顶棚辐射系统供冷、供热.毛细管辐射系统分为天棚埋管辐射系统、吊顶式辐射系统、毛细管辐射系统三种形式，辐射系统常与置换新风相结合使用.辐射系统承担建筑显热负荷，置换新风承担室内湿负荷，实现热湿单独处理.

毛细管顶棚辐射能使室内温度均匀，无吹风感，而且是零噪声，让人感觉到舒适，安静.换热面积大，可铺装绝对面积最大，换热均匀，这是毛细管网不可替代的优势.

本项目夏季室内设计温度为26℃，冷水平均温度与室内温度的温度差为7℃，可知冷水平均温度为19℃能满足大部分房间的制冷需求.所以供冷供回水温度为18℃/20℃.冬季室内设计温度为20℃，热水温度与室内温度的温度差为11℃，热水的平均温度为31℃能满足大部分房间的制热需求.所以制热温度为供回水温度为30℃/32℃.

热湿单独处理空调系统承担着排除室内余热、余湿、CO2与异味的任务.由于排除室内余湿与排除CO2、异味所需要的新风量与变化趋势一致，即可以通过新风同时满足排除余湿、CO2与异味的要求，而排除室内余热的任务则通过其它的系统（独立的温度控制方式）实现.由于无需承担除湿的任务，因而较高温度的冷源即可实现排除余热的控制任务.温湿度独立控制空调系统中，采用温度与湿度两套独立的空调控制系统，分别控制、调节室内的温度与湿度，从而避免了常规空调系统中热湿联合处理所带来的能量损失.由于温度、湿度采用独立的控制系统，可以满足不同房间热湿比不同的要求，克服了常规空调系统中难以同时满足温、湿度参数的要求，避免了室内湿度过高（或过低）的现象.温湿度独立控制空调系统的基本组件有：高温冷源、余热消除末端装置组成了处理显热的空调系统，采用水作为输送媒介，其输送能耗仅是输送空气能耗的1/10～1/5.处理潜热（湿度）的系统由新风处理机组、送风末端装置组成，采用新风作为能量输送的媒介,同时满足室内空气品质的要求，因为无冷凝水，避免霉菌的滋生.

热湿单独处理技术往往是结合辐射供冷暖系统，辐射系统承担建筑显热负荷，而置换新风系统承担室内湿负荷.

2.4室外侧系统设计

根据该项目的岩土热物性测试，考虑埋孔区域面积及成本造价，本项目采用单U型埋管，单U型地埋管的夏季的排换热能力约为48W/m，冬季的散热能力约为29W/m.根据地源热泵施工规范要求，地埋管选择高密度聚乙烯管材，SDR11系列，额定承压能力为1.6MPa.

根据本项目的地质情况，打井深度为100米.打井个数：116个.为保证系统能过长期运行，所以需要将孔数后乘以5%的富余系数，以确保在今后系统运行中即使出现坏孔情况，系统也能够正常运行.综合考虑夏季地埋管的充分散热、打井占地面积以及施工费用等因素，竖井间的距离保持在6m×6m，如遇地下其他构筑物或管道等，适当避让.则：需埋设122个竖井，间距至少保证6m×6m，井深100米.

3　技术亮点

（1）地源热泵系统：地表土壤是一个所含能量极其巨大的蓄能体，在土壤中因吸收太阳能以及其他形式的能量交换而储存了大量的低品位能源.将低品位能源转换成高品位能源加以利用.

（2）太阳能系统：阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收层的吸热体上，其中大部分太阳辐射能为吸收体所吸收，转变为热能，并传向流体通道中的平板太阳能集热器.

（3）吊顶辐射系统：使用者和房间表面之间的能量传递通过辐射的方式进行.辐射是在自然条件下调整各物体间的热平衡，因此，毛细管制冷、采暖系统可充分提高室内的舒适性.

（4）温室独立控制：采用温度和湿度两套独立的空调系统，采用辐射吊顶调节温度、新风系统调节湿度，分别控制调节室内温度湿度.

（5）全热回收：室内排出的污浊空气和室外送入的新鲜空气既通过传热板交换温度，同时又通过板上的微孔交换湿度，从而达到既通风换气又保持室内温、湿度稳定的效果.热交换效率大于70%.

4　结语

本项目采用的土壤源热泵和太阳能系统都属于国家政策所推崇的节能系统，地源热泵利用土壤作为冷热源，太阳能利用阳光作为热源，零污染能源，节能率可达50%以上.习近平总书记在2015巴黎世界气候大会上对巴黎协议提出的包括“引领绿色发展”在内的四大中方主张，向世界传递出应对全球气候变化的中国声音，将我国的绿色发展规划提升到一个新的高度.在中国提交的国家自主贡献文件中明确：控制煤炭消费总量，到2020年地热能利用规模达到5000万吨标准煤.这是新时期绿色发展的重大战略举措，是生态文明建设实施的重要途径，将进一步为我国发展地热能等新能源产业增添新的发展活力.

〔1〕张昌，胡平放，陈焰华，等.热泵技术与应用［M］.北京：机械工业出版社，2008.

〔2〕黄开林.严寒地区土壤源热泵建筑应用示范工程研究［D］.吉林建筑大学，2015.

TK521+.3；TQ051.5

A

1673-260X（2016）09-0145-03

2016-04-21

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目（吉教科合字［2015］第576号）