【摘要】：地源熱泵的使用越來(lái)越廣泛，尤其在上海地區(qū)。地源熱泵的使用在建筑節(jié)能方面有著重要的意義。地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)制冷，還可提供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來(lái)的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)，特別是對(duì)于同時(shí)有供熱和供冷要求的建筑物。地源熱泵有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。不僅節(jié)省了大量的能量，而且用一套設(shè)備可以同時(shí)滿足供熱、供冷、供生活用水的要求，減少了設(shè)備的初投資。本文主要結(jié)合筆者負(fù)責(zé)的新江灣成高檔居住社區(qū)項(xiàng)目來(lái)探討地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用及其對(duì)上海地區(qū)建筑設(shè)計(jì)中的積極影響。
　　關(guān)鍵詞：地源熱泵，節(jié)能，環(huán)保，綠色
　　引言：
　　隨著我國(guó)人民生活水平的提高，人們對(duì)室內(nèi)熱舒適度的要求也越來(lái)越高。室內(nèi)環(huán)境不再是“冷在三九，熱在三伏”，而是全年維持在一個(gè)舒適的水平上。熱泵由于集供熱與制冷于一機(jī)的良好性能，深受人們的喜愛(ài)，成為暖通空調(diào)領(lǐng)域一顆炙手可熱的新星，異軍突起，發(fā)展十分迅速。
　　1. 地源熱泵簡(jiǎn)介
　　地源熱泵技術(shù)是一種利用淺層地?zé)豳Y源的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能的空調(diào)技術(shù)。由于全年地溫波動(dòng)小，冬暖夏涼，因此地?zé)峥煞謩e在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源，即冬季從土壤中采集熱量，提高溫度后供給室內(nèi)采暖；夏季從土壤中采集冷量，把室內(nèi)多余熱量取出釋放到地能中去。地源熱泵主要有以下幾種形式：
　　1)地下水熱泵：為開(kāi)放系統(tǒng)。該系統(tǒng)占地面積小，非常經(jīng)濟(jì)。它要求保證機(jī)組正常運(yùn)行的穩(wěn)定水源，溫度范圍在7℃～21℃，需要打井，為保持地下水位需要注意回灌，從而不破壞水資源。
　　2)河湖水源熱泵：為開(kāi)式或閉式系統(tǒng)。該系統(tǒng)投資小，水系統(tǒng)能耗低，可靠性高，且運(yùn)行費(fèi)用低，但盤管容易被破壞，機(jī)組效率不穩(wěn)。
　　3)土壤熱泵：為閉式系統(tǒng)。垂直埋管系統(tǒng)占地面積小，水系統(tǒng)耗電少，但鉆井費(fèi)用高；水平埋管安裝費(fèi)用低，但占地面積大，水系統(tǒng)耗電大。地源中央空調(diào)系統(tǒng)是一種從土壤資源中提取熱量的高效、節(jié)能、環(huán)保、再生的供熱(冷)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成熟的熱泵技術(shù)、暖通空調(diào)技術(shù)、配套地埋管技術(shù)于一體，在相對(duì)穩(wěn)定的水體溫度下高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。地埋管內(nèi)的循環(huán)水吸收土壤中的熱量，地源中央空調(diào)系統(tǒng)是由末端系統(tǒng)、水源熱泵系統(tǒng)和地埋管水源水系統(tǒng)三部分組成。為用戶供熱時(shí)，地埋管內(nèi)的循環(huán)水吸收土壤中的熱量，水源中央空調(diào)系統(tǒng)從地埋管中的循環(huán)水中提取低品位熱能，通過(guò)電能驅(qū)動(dòng)的水源中央空調(diào)主機(jī)(熱泵)“泵”送到高溫?zé)嵩?即空調(diào)水系統(tǒng))，以滿足用戶供熱需求地埋管內(nèi)的循環(huán)水。為用戶供冷時(shí)，水源中央空調(diào)系統(tǒng)將用戶室內(nèi)的余熱通過(guò)水源中央空調(diào)主機(jī)(制冷)轉(zhuǎn)移到地埋管內(nèi)的循環(huán)水中，通過(guò)地埋管向土壤放熱，以滿足用戶制冷需求。地源熱泵是利用了地球本體所儲(chǔ)藏的太陽(yáng)能資源作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的冷暖空調(diào)系統(tǒng)。地表土壤和水體不僅是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，收集了47％的太陽(yáng)輻射能量，比人類每年利用能量的500倍還多(地下的水體通過(guò)土壤間接的接受太陽(yáng)輻射能量)，而且是一個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)能量平衡系統(tǒng)，地表的土壤和水體自然地保持能量接收和發(fā)散的相對(duì)均衡。這使得利用儲(chǔ)存于其中的似乎無(wú)限的太陽(yáng)能或地能成為可能。所以說(shuō)，地源熱泵是利用可再生能源的一種有效途徑。
　　
　　2.地源熱泵系統(tǒng)的成本分析
　　就筆者所負(fù)責(zé)的新江灣住宅項(xiàng)目為例，早期在空調(diào)系統(tǒng)比選階段，我們就傳統(tǒng)的VRV中央空調(diào)系統(tǒng)與節(jié)能型的地源熱泵末端毛細(xì)輻射空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了性能和成本對(duì)比：
　　 地源熱泵空調(diào) VRV中央空調(diào)
　　主機(jī)設(shè)置 主機(jī)設(shè)置位置靈活 主機(jī)只能設(shè)置在通風(fēng)良好的位置
　　運(yùn)行效率 冷熱源的溫度穩(wěn)定，不受外界空氣的變化影響 受外界天氣條件影響大
　　控制系統(tǒng) 不存在結(jié)霜問(wèn)題 冬季溫度過(guò)低存在沖霜問(wèn)題,制熱性能降低
　　環(huán)境效益 綠色環(huán)保 將費(fèi)熱氣排向室外，影響室外環(huán)境溫度
　　運(yùn)行費(fèi)用 比風(fēng)冷熱泵的運(yùn)行費(fèi)節(jié)省至少30% Cop值較地源熱泵小，運(yùn)行能耗高
　　初期投資 約750元/㎡（其中地源熱泵空調(diào)冷熱源系統(tǒng)投資約350元/平方米,末端毛細(xì)系統(tǒng)投資約300元/平方米,生活熱水系統(tǒng)50元/平方米,設(shè)計(jì)50元/平方米） 約500元/㎡（含機(jī)組及末端風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)、含設(shè)計(jì)）
　　雖然一次性投資高昂，但是使用成本相對(duì)便宜，維護(hù)成本低。系統(tǒng)整體保溫性強(qiáng)，增強(qiáng)能源使用效率,減少傳統(tǒng)能源使用。在”恒溫恒濕”環(huán)境中各種設(shè)備,家具等使用壽命延長(zhǎng)。
　　
　　3.建筑設(shè)計(jì)中的地源熱泵技術(shù)
　　（1）建筑物冷熱負(fù)荷及冬夏季地下?lián)Q熱量計(jì)算
　　建筑物冷熱負(fù)荷計(jì)算與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷計(jì)算方法相同，可參考有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)，在此不再贅述。
　　冬夏季地下?lián)Q熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤吸收的熱量。可以由下述公式[2]計(jì)算：
　　kW（1）
　　kW（2）
　　其中Q1＇——夏季向土壤排放的熱量，kW
　　Q1——夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷，kW
　　Q2＇——冬季從土壤吸收的熱量，kW
　　Q2——冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷，kW
　　COP1——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)
　　COP2——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)
　　一般地，水源熱泵機(jī)組的產(chǎn)品樣本中都給出不同進(jìn)出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數(shù)、供熱系數(shù)，計(jì)算時(shí)應(yīng)從樣本中選用設(shè)計(jì)工況下的COP1、COP2。若樣本中無(wú)所需的設(shè)計(jì)工況，可以采用插值法計(jì)算。
　　（2）地下熱交換器設(shè)計(jì)
　　這部分是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、管長(zhǎng)及豎井?dāng)?shù)目、間距確定，管道阻力計(jì)算及水泵選型等。（在下文將具體敘述）
　　（3）其它
　　地下熱交換器設(shè)計(jì)
　　2.1選擇熱交換器形式
　　2.1.1水平（臥式）或垂直（立式）
　　在現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮現(xiàn)場(chǎng)可用地表面積、當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵约般@孔費(fèi)用，確定熱交換器采用垂直豎井布置或水平布置方式。盡管水平布置通常是淺層埋管，可采用人工挖掘，初投資一般會(huì)便宜些，但它的換熱性能比豎埋管小很多[4]，并且往往受可利用土地面積的限制，所以在實(shí)際工程中，一般采用垂直埋管布置方式。
　　根據(jù)埋管方式不同，垂直埋管大致有3種形式：（1）U型管（2）套管型（3）單管型。套管型的內(nèi)、外管中流體熱交換時(shí)存在熱損失。單管型的使用范圍受水文地質(zhì)條件的限制。U型管應(yīng)用最多，管徑一般在50mm以下，埋管越深，換熱性能越好，資料表明：最深的U型管埋深已達(dá)180m。U型管的典型環(huán)路有3種，其中使用最普遍的是每個(gè)豎井中布置單U型管。
　　2.1.2串聯(lián)或并聯(lián)
　　地下熱交換器中流體流動(dòng)的回路形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，串聯(lián)系統(tǒng)管徑較大，管道費(fèi)用較高，并且長(zhǎng)度壓降特性限制了系統(tǒng)能力。并聯(lián)系統(tǒng)管徑較小，管道費(fèi)用較低，且常常布置成同程式，當(dāng)每個(gè)并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時(shí)，其換熱量相同，其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此，實(shí)際工程一般都采用并聯(lián)同程式。結(jié)合上文，即常采用單U型管并聯(lián)同程的熱交換器形式。
　　2.2選擇管材
　　一般來(lái)講，一旦將換熱器埋入地下后，基本不可能進(jìn)行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且耐腐蝕。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中使用的金屬管材在這方面存在嚴(yán)重不足，且需要埋入地下的管道的數(shù)量較多，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用價(jià)格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統(tǒng)中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它們可以彎曲或熱熔形成更牢固的形狀，可以保證使用50年以上；而PVC管材由于不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導(dǎo)致泄漏，因此，不推薦用于地下埋管系統(tǒng)。
　　下圖中，作者所負(fù)責(zé)的上海新江灣4#地塊地源井施工現(xiàn)場(chǎng)，采用的是PE管材的單管型垂直埋管布置，并聯(lián)同程）
　　
　　3.地源熱泵在上海新江灣地區(qū)運(yùn)用取得的收益
　　面對(duì)嚴(yán)峻的能源形勢(shì)，地源熱泵技術(shù)在長(zhǎng)三角尤其是上海地區(qū)的推廣應(yīng)用具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。地源熱泵比風(fēng)冷熱泵節(jié)能40％，比電采暖節(jié)能70％，比燃?xì)鉅t效率提高48％，所需制冷劑比—般熱泵空調(diào)減少50％。地源熱泵的能量來(lái)源于自然能源，它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，是一種理想的綠色空調(diào)”。筆者所負(fù)責(zé)的上海新江灣城4#（江灣、6#、20#項(xiàng)目均采用了這個(gè)技術(shù)，并但是由于在上海“夏天向地下取冷多，冬天向地下取冷較少”的現(xiàn)實(shí)，在系統(tǒng)運(yùn)行多年后，有可能產(chǎn)生地源熱泵系統(tǒng)效能降低的問(wèn)題。建議除在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中嚴(yán)格把關(guān)外，需要做好長(zhǎng)期后期維護(hù)的預(yù)案工作。上海目前應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)的公寓住宅項(xiàng)目“中鷹黑森林”、“一品漫城”等項(xiàng)目居民入住還需要一段時(shí)間，相關(guān)法律糾紛還未來(lái)得及產(chǎn)生。但上海公建和商業(yè)項(xiàng)目有運(yùn)行多年的地源熱泵系統(tǒng)，曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)運(yùn)行多年后，效能逐漸降低，乃至最后放棄使用該系統(tǒng)的案例，值得我們警醒，應(yīng)組織法律、物業(yè)、設(shè)計(jì)、工程、營(yíng)銷等部門共同研究該課題，防患于未然。
　　4、結(jié)語(yǔ)
　　地源熱泵技術(shù)為我們帶來(lái)了巨大的契機(jī)，它能夠減少能量消耗，降低環(huán)境污染，同時(shí)能保證業(yè)主空調(diào)系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)建設(shè)部關(guān)于發(fā)展節(jié)能省地型住宅和公共建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)（建科[2005]78號(hào)）的要求，發(fā)展節(jié)能省地型住宅和公共建筑，要研究思考節(jié)能省地型住宅和公共建筑的深刻內(nèi)涵及其之間的辨證關(guān)系，認(rèn)真解決當(dāng)前的突出矛盾和問(wèn)題；既要考慮單體建筑，又要考慮城市或區(qū)域的統(tǒng)籌規(guī)劃和總體布局；既要考慮新建建筑的“四節(jié)”，又要研究不同歷史時(shí)期不同性質(zhì)的既有建筑的節(jié)能節(jié)水問(wèn)題，注重降低建筑建造和使用過(guò)程中總的能源資源消耗。由于地源熱泵技術(shù)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，必將引起廣大用戶、科技人員以及政府部門的高度關(guān)注。綜合以上的分析，我們認(rèn)為地源熱泵技術(shù)在中國(guó)有廣闊的市場(chǎng)前景。
　　參考文獻(xiàn)
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