新型高效建筑节能技术地源热泵应用研究

2019-01-16董方

中国设备工程 2019年14期

董方

（华纺房地产开发公司，北京 100018）

随着我国建筑业的迅猛发展，对建筑节能的要求越来越高。传统的建筑产品设计一直把注意力放在如何提高保温效果上，但无论怎样做，效果终究是有限的，科学发展观要求我们创造一种可持续的发展模式，在工程建设领域，开发利用新型清洁可再生能源成为建筑行业追求的目标，太阳能和地热能的利用是当前条件下比较可行的2个发展方向。地源热泵技术的成功应用实现了新能源利用技术的重大突破，也带来了建筑节能理念的深刻变革。

1 地源热泵系统的工作机理

大地浅层岩土体及地下水或地表水中蕴藏着丰富的能量，这些能量均来自太阳能。由于地温的恒定性，地源热泵系统就是通过消耗少量的高品位能源（电能）来提取蕴藏于地下的低品位能源从而为人类服务的。冬季地下岩土体或水体的温度高于大气的温度，通过热泵系统提取地下的热量向用户供暖；夏季地下岩土体或水体的温度低于大气的温度，则通过热泵循环吸收室内的热量再释放回地下岩土体或水体中。地源热泵系统一般由3部分组成：地埋管道系统、热泵机组、室内末端系统。

1.1 地埋管道系统

地埋管道系统也称为地下换热系统，是通过工程手段将一定规格、一定长度的U形管道（塑料或金属的）埋入温度基本恒定的岩土层或水体中，并与热泵机组相连接，封闭的U形管道内充满换热介质（水或其他液体），利用机械力促使U形管中的液体介质循环流动，由于管道内的液体介质与管道外的环境存在温差，介质在流动过程中不断地与地下环境进行热交换，将大地热能源源不断地带给热泵机组，通过热泵机组将热能输送到建筑物内进行利用。

1.2 热泵机组

热泵机组是地下热能向建筑物室内进行转换的中间环节，也是整个系统的中枢，一般由蒸发器、冷凝器、压缩机、节流阀等组成，地埋管介质所带来的地热能在这里进行二次热交换并向建筑物室内输送。热泵机组可以改变传热方向，通过换向阀可以在任何时间实现供热或制冷的切换。

在夏季，压缩机把低压制冷剂蒸气压缩后，成为高压制冷剂气体进入冷凝器，在冷凝器中通过与地埋管提供的冷水进行热交换，制冷剂冷凝为高压液体，经热力膨胀阀的节流膨胀后进入蒸发器，与室内负荷环境进行热交换，从而达到建筑物室内降温的目的。在冬季，热泵机组通过换向阀的切换，使制冷工况时的冷凝器在这时变为蒸发器，制冷工况时的蒸发器变成冷凝器。通过蒸发器吸收地埋管提供的热量，在机组循环的过程中向建筑物供热。

1.3 室内末端系统

室内末端系统即建筑物内的风机盘管换热系统或散热器系统，是三级换热系统（负荷系统）。该系统的布置及设计与普通的中央空调系统及普通的锅炉供暖系统没有任何区别。在冬季热泵机组可以向散热器系统提供45～55℃的采暖热水，夏季热泵机组向风机盘管系统提供7～12℃的空调冷冻水，如果需要给建筑物提供24h热水，专门单独设置一台热泵可以常年提供热水。

2 地源热泵技术的优越性

（1）能源的可得性强，地源热泵利用浅层常温土壤、地下水或地表水中所蕴藏的热能，无处不在，随地可取，特别容易获得。

（2）能源的安全可靠性，地热能蕴藏丰富，取之不尽，且地温恒定，可长期利用，安全可靠。

（3）能源的可再生性，地热能属于清洁可再生能源，具有可持续性，使用效率较高，且不会向外界排放任何废气、废水、废渣，没有任何污染，是一种理想的“绿色技术”。

（4）一机多用，功能全面。利用同一套机组，可实现在冬季向建筑物供暖、在夏季向建筑物提供冷源、一套系统可以替换原来的锅炉和空调两套装置或系统，不仅接生了能源，而且减少了设备的初投资，并且可以向建筑物提供热水等多重功能。

（5）适用范围广泛，地源热泵技术可以广泛应用于普通住宅、别墅、公寓、写字楼、学校、医院、宾馆酒店、商场、车站、机场、博物馆及其他娱乐场所。从严寒地区到热带地区均适用。

（6）高效节能特性，通常地源热泵系统在运行过程中，每投入1kW的能量，用户即可获得4kW以上的热量或冷量。地源热泵系统的换热效率很高，因此，在产生同样热量或冷量的时候，只需要小功率的压缩机就可实现，其耗电量仅为普通中央空调系统与锅炉系统的40%～50%。

（7）舒适性好，空气质量高，低噪音。土—气型地源热泵系统，采用全空气系统，舒适性好。空调送风均匀，温度分布合理，气流速度小于0.3m/s，无吹风感。噪音小，采取降噪措施后可小于40dB。可以在任何时间进行制冷模式和供热模式的相互切换，室内温度可以根据个人的感受在一定的设计范围内设定。

（8）低运行费、低维护费，寿命长。这也是该系统的最大的优点。地源热泵系统的高效节能特点决定了它的低运行费用，维修量极少，使用寿命同建筑物的使用寿命相同，折旧费和维修费也大大低于传统空调。自动化程度高，无须专业人员操控。土—气型地源热泵系统的供暖和制冷奋勇只相当于普通的供暖和制冷技术费用的30%～60%。地源热泵系统不带室外安装的设备，不设冷却塔、屋顶风机，没有室外设备安装维护的费用。压缩机工作稳定，不会出现传统设备中制冷剂压力过高或过低的现象，其维护费用大大低于中央空调。

（9）节省建筑空间、易于管理、运行灵活。没有中央机房、冷却塔、锅炉房和其他室外设备及其附属的煤场、渣场所占用的宝贵用地面积，没有中央空调的集中占地问题，节省了空间和地皮，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。室内系统是分散式系统，故每个区域的主风管道截面高度较小，不会像传统空调系统那样过多占用建筑内的吊顶空间，从而保证每层的使用空间。可以实现机组独立计费，分户计量，方便管理。每台机组可独立供冷或供热，个别机组故障不影响整个系统的运行。机组运行工况稳定，几乎不受环境温度变化的影响，即使在寒冷的冬季制热量也不会衰减，更不会结霜。

（10）经济性好。土—气型地源热泵系统的初装费用与传统的空调初装费用相当，但运行费用比传统空调系统低50%，地源热泵技术一般只需10年的时间就能收回成本，而传统的户式中央空调却需要至少20年才能收回成本，对用户来说是十分经济的。

3 地源热泵技术的发展现状及在我国的应用

从20世纪90年代中期以来，地源热泵在世界上许多国家，尤其是在东欧、西欧和北美，一直有着持续高速发展的趋势。至2005年，世界上33个国家已经安装了130万台地源热泵装置，总装机15723MWt，是2000年的2.98倍。我国国土地理位置主要在温带，有相当丰富的浅层地源能资源，大力发展地源热泵技术的条件十分优越。地源热泵在我国呈现出飞速发展的势头。我国利用热泵技术的城市主要包括北京、沈阳等30多个城市，全国范围利用水源热泵和土壤源热泵技术的面积已经达到6000万m2。截至2007年9月底，北京地区利用水源热泵和土壤源热泵供暖或制冷的面积已经达到1052万m2。

4 地源热泵系统实际应用工程案例

4.1 中石化管理干部学院地源热泵系统

中石化管理干部学院总建筑面积51711m2，由教学楼、图书馆、教研楼、综合楼和体育活动中心组成，采用地源热泵空调系统为所有建筑提供冬季供暖和夏季制冷，系统于2003年年底投入使用。

地下话热系统采用了垂直地埋管系统，共钻取了364个换热孔，控径150mm，孔深150m，孔间距5m，布管总长度57700m。根据建筑物布局和使用功能，总建设了4个热泵机房，其中1#机房为体育中心提供冬季采暖和夏季制冷，选用1台热泵机组，制热量1022kW，制冷量为820kW，机房占地面积85m2；2#机房为综合楼提供冬季采暖和夏季制冷，选用8台热泵机组，总制热量3040kW，总制冷量2880kW，占地面积210m2；3#机房为教研楼提供冬季采暖和夏季制冷，选用1台机组，制热量304kW，制冷量288kW，占地面积35m2；4#机房为教学楼和图书馆提供冬季采暖和夏季制冷，选用5台热泵机组，总制热量1824kW，总制冷量1728kW，占地面积150m2。经过2004年10月～2005年9月的运行实践，根据测算实际运行费用为：冬季采暖20.1元/m2；夏季制冷13.4元/m2。

4.2 空军丰台招待所水源热泵系统

空军丰台招待所是一所集住宿、会议、餐饮娱乐为一体的三星级酒店。建筑面积2.5万m2，夏季空调制冷，冬季暖气片采暖，采用水源热泵系统实现。

利用地下水作为冷、热源，共钻凿换热井5眼，3抽2灌，抽水井单井出水量120m2/h，水温15℃左右，井水换热后通过回灌井返回地下。

本工程采用2台GHP600型、1台GHP300型热泵机组，在夏季提供7～12空调用冷冻水，冬季提供55～45采暖热水。另选用1台GHP300型机组，常年提供24h生活热水。

该系统2000年10月25日竣工并投入运行，目前运行效果良好，冬季室内温度可达22～27℃，已超过北京市供暖标准。根据测算，冬季采暖实际运行费用为13.5元/m2，夏季制冷实际运行费用15.3元/m2。

4.3 山水文园三期高档住宅项目地源热泵系统

山水文园三期住宅项目位于北京市十里河，是集高档单元住宅、别墅为一体的住宅建设项目，总建筑面积19.8万平方米，共有6栋单元住宅楼（地下3层、地上最高14层，首层及二层为商业）、5栋别墅构成。

该项目采用地源热泵系统为建筑物供暖和制冷，地下换热系统采用岩土层垂直地埋管系统，钻孔深度80～100m，其中部分地埋管位于建筑物下方，部分位于道路绿化区域内，地埋管汇集后与设置在某住宅楼地下室的分（集）水器相连接。该项目没有采用集中热泵机组，而是采用分散的户式热泵，于每户适当位置设1台水—水式水源热泵机组（型号：L086WLD—HLA/AS，重246kg，额定制冷量22.3kW，额定制热量30kW，制冷输入功率5.5kW，制热输入功率6.5kW），地埋管内的换热介质经分—集水器后直接送入各户的热泵机组，经机组换热后供室内使用。该系统在2007～2008年度试运行，效果良好。