地源熱泵系統在福州海峽國際會展中心的應用

哈建海

1 概述

實施可持續發展能源戰略已成為新時期我國能源發展的基本方針。可再生能源在建筑中的應用是建筑節能工作的重要組成部分。地源熱泵系統作為可再生能源應用的主要途徑之一，在技術上和經濟上都具有較大優勢，近年來在國內得到了日益廣泛的應用。

我國頒布了GB 50366-2005地源熱泵系統工程技術規范，于2006年1月1日起實施。開發利用綠色環保的能源，不僅是全球也是國內未來能源戰略的發展方向。

福州海峽國際會展中心位于福州市倉山區閩江南岸，占地面積67萬m2，建筑面積38萬m2，由會議中心連接兩個展館組成，是國內目前最大的展館之一。采用了多項節能環保技術中最具代表性的設計是:其會議中心在冬季采暖上采用了地源熱泵系統工程技術。

2 地源熱泵系統

2.1 概念

地源熱泵系統是一種利用地下淺層地熱資源的既可供熱又可制冷的高效節能空調系統。它以巖土體、地下水或地表水為地溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建筑物內系統組成。根據地熱能交換系統形式的不同，地源熱泵系統分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源(如電能)，實現低溫位熱能向高溫位轉移。

2.2 工作原理

熱量總是從高溫流向低溫，但人們可以創造機器，如采用熱泵技術可以把熱量從低溫抽吸到高溫，所以地源熱泵實質上是一種熱量提升裝置，它本身消耗一部分能量，把環境介質中貯存的能量加以挖掘，提高溫位進行利用，這就是地源熱泵節能的原理。

圖1 地源熱泵供暖/制冷工作示意圖

如圖1所示，地源熱泵裝置主要由四個部分組成——壓縮機、冷凝器、調節閥、蒸發器。供暖時，工作介質在蒸發器中蒸發，吸收地下水中的熱量，使地下水溫度降低，降溫后泵入地下與地層熱交換，升溫后抽出循環。工作介質蒸發后變成氣體，由壓縮機壓縮，再經過冷凝器還原成液體，經與空調水熱交換后，冷凝放出熱量，使空調水升溫，供建筑物內采暖。

工作介質變成液體，由調節閥調整流量后進入蒸發器，再吸熱蒸發，如此循環，進行能量交換。制冷時，工作過程正好相反，只是將冷凝器連接到地下水管線上，工作介質放熱給地下水;將蒸發器連接到空調水上，由工作介質吸收空調水的熱量，不斷循環，達到制冷的效果。

2.3 性能特點

1)利用可再生能源:從常溫土壤或地下水(地表水)中吸熱或向其排熱，利用的是可再生的清潔能源，可持續使用。

2)高效節能、運行費用低:屬經濟有效的節能技術，地源熱泵的冷、熱源溫度一年四季相對穩定，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。

3)節水省地:以土壤(水)為冷、熱源，向其放出或吸收熱量，不消耗水資源，不會對其造成污染;省去了鍋爐房及附屬煤場、儲油房、冷卻塔等設施，節省建筑空間。

4)環境效益顯著:該裝置的運行沒有燃燒，排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場所，不會產生城市熱島效應，對環境非常友好，是理想的綠色環保技術。

5)運行安全穩定、可靠性高:地源熱泵系統在不產生一氧化碳、二氧化碳、丙烷等廢氣，不會有爆炸的危險，使用安全。地源溫度非常恒定，維修量極少。

3 地源熱泵技術在福州海峽國際會展中心的應用

3.1 初步方案選擇

福州海峽國際會展中心(以下簡稱會展中心)濱臨閩江，所在地原為閩江中的多塊沙洲，經大量吹填砂，人工建造而成，后將此人造的地塊稱為會展島。因此，會展島下砂層有著非常豐富的地下水資源，且與閩江互通。

會展中心項目主體工程由北京市建筑設計研究院設計，充分利用該地豐富的地下水及地熱能資源，同時考慮到會議中心的重要性，將供暖系統應用到了會議中心。并以地下水地源熱泵系統作為會議中心唯一的采暖系統，并入整個會議中心的中央空調系統。

對于地下水換熱系統，首先要有持續水源的保證，同時還要具備可靠的回灌能力。地下水系統是目前地源熱泵系統應用最廣的一種形式。對于較大系統，地下水系統的投資遠低于埋地管系統。由會展島的水文地質條件來看，非常適合采用地下水地源熱泵系統。

3.2 深化設計與施工

3.2.1 水文地質勘察

會展中心地源熱泵系統工程勘察由福州市勘察院承擔，于2008年12月出具勘察報告，勘察報告包括以下內容:

1)地下水類型;

2)含水層巖性、分布、埋深及厚度;

3)含水層的富水性和滲透性;

4)地下水徑流方向、速度和水力坡度;

5)地下水溫度及其分布;

6)地下水水質;

7)地下水水位動態變化。

該勘察報告為會展中心地源熱泵系統深化提供了主要的設計依據。

3.2.2 地源熱泵系統的選擇

會展中心地源熱泵系統由福建省建研勘察設計院進行深化設計，該設計與北京市建筑設計研究院的界限是板式換熱器。兩臺地源熱泵的機組型號為CH3-B1/C1-2，制冷量為2 100 kW，冷卻水量為226 m3/h，由北京市建筑設計研究院設計。

本設計采用開式循環系統，這種系統直接利用地下水的恒溫特性，采用“抽水—回灌”的循環過程來提取熱量。由于開式循環系統可以減少鉆井工程量，因此在地下水豐富地區常使用。開式循環系統應重點注意的是:

1)完善地下水回灌技術，保護地下水資源;

2)提供可靠的地下水資源水文地質資料，確保空調設計人員所需資料準確;

3)利用供水井鉆井和成井新技術，降低鉆井成本，提升鉆井效率，提高水井質量和壽命。在熱源井的設計上，根據福州市勘察院提供的水文地質資料，第一含水層地水質接近閩江水水質，抽水井動水位變化規律與閩江水潮汐規律一致，井水實際上大部分來自閩江水，因此，抽、回灌井的比例為1∶2。但由于該項目毗鄰閩江，潮汐、洪水對回灌排水方式都有較大的影響，由此，回灌總管設旁通管，接至雨水井，在回灌排水方式排水有困難時，啟用旁通管。

3.2.3 地下水流量控制

抽水泵功耗過高是目前地下水系統運行存在的普遍問題。根據負荷需求調節地下水流量，具有很大節能潛力。常用抽水泵控制方法有:設置雙限溫度的雙位控制、變速控制和多井調節控制。會展中心地源熱泵系統采用的是多井調節控制的方法，在會議中心北側設置12組抽、回兩用井和6組回灌井，配備了12臺吸水泵。通過控制開啟吸水泵臺數來控制循環水總流量，從而達到節能的效果。

3.2.4 設備選擇

除北京市建筑設計研究院設計的地源熱泵機組和板式換熱器外，設計上采用的設備還有:

1)潛水泵:175QJ40-36/3，H=34 m，P=7.5 kW，Q=37.5 m3/h;

2)旋流除砂器:CSQ-B1/C-1，需處理水量225 m3/h;

3)射頻自動(排污)過濾器:WD-125SPG-A;

4)F型綜合水處理器:WD-125A，OZH-F-MC;

5)BTS自動清洗裝置。

3.3 地源熱泵系統的實際使用

2011年1月5日和1月6日，中國人民政治協商會議第十一屆福州市委員會第五次會議和福州市十三屆人大六次會議分別在福州海峽國際會展中心舉行。兩會期間(1月5日～1月9日)正是福州冬季最冷的時間，因此，將地源熱泵供暖系統投入了使用。經過5 d的供暖運行，室外氣溫均在5℃～12℃，會議中心內的大會堂、多功能廳等大空間室溫約20℃，安裝風機盤管的小型會議室、休息室等小空間室溫約在25℃，舒適宜人，達到了設計上的要求，保障了會議的正常進行，受到了省、市領導和兩會代表的一致好評。這說明了地源熱泵技術在海峽會展中心的應用是成功的。

4 結語

中國是世界上直接利用地熱潛力最大的國家。

1)中國國土遼闊，地熱資源豐富;

2)中國人口眾多，將來需求量無可比擬。在我國，地源熱泵技術應用時間不長，在設計方法和施工技術的研究上還很不夠，很多技術只能參考國外技術。隨著對綠色能源需求的不斷增加，地源熱泵技術將會得到更加廣泛的應用。

［1］ GB 50366-2005，地源熱泵系統工程技術規范［S］.

［2］ GB/T 19409-2003，水源熱泵機組［S］.

［3］ 鄒 瑜，徐 偉，馮小梅.國家標準《地源熱泵系統工程技術規范》GB50366-2005設計要點解析［J］.暖通空調，2008(5):11-13.

［4］ 李 瓊.地源熱泵及其優越性［J］.山西建筑，2010，36(19):170-171.