新型高效建筑節能技術地源熱泵應用研究

董方

（華紡房地產開發公司，北京 100018）

隨著我國建筑業的迅猛發展，對建筑節能的要求越來越高。傳統的建筑產品設計一直把注意力放在如何提高保溫效果上，但無論怎樣做，效果終究是有限的，科學發展觀要求我們創造一種可持續的發展模式，在工程建設領域，開發利用新型清潔可再生能源成為建筑行業追求的目標，太陽能和地熱能的利用是當前條件下比較可行的2個發展方向。地源熱泵技術的成功應用實現了新能源利用技術的重大突破，也帶來了建筑節能理念的深刻變革。

1 地源熱泵系統的工作機理

大地淺層巖土體及地下水或地表水中蘊藏著豐富的能量，這些能量均來自太陽能。由于地溫的恒定性，地源熱泵系統就是通過消耗少量的高品位能源（電能）來提取蘊藏于地下的低品位能源從而為人類服務的。冬季地下巖土體或水體的溫度高于大氣的溫度，通過熱泵系統提取地下的熱量向用戶供暖；夏季地下巖土體或水體的溫度低于大氣的溫度，則通過熱泵循環吸收室內的熱量再釋放回地下巖土體或水體中。地源熱泵系統一般由3部分組成：地埋管道系統、熱泵機組、室內末端系統。

1.1 地埋管道系統

地埋管道系統也稱為地下換熱系統，是通過工程手段將一定規格、一定長度的U形管道（塑料或金屬的）埋入溫度基本恒定的巖土層或水體中，并與熱泵機組相連接，封閉的U形管道內充滿換熱介質（水或其他液體），利用機械力促使U形管中的液體介質循環流動，由于管道內的液體介質與管道外的環境存在溫差，介質在流動過程中不斷地與地下環境進行熱交換，將大地熱能源源不斷地帶給熱泵機組，通過熱泵機組將熱能輸送到建筑物內進行利用。

1.2 熱泵機組

熱泵機組是地下熱能向建筑物室內進行轉換的中間環節，也是整個系統的中樞，一般由蒸發器、冷凝器、壓縮機、節流閥等組成，地埋管介質所帶來的地熱能在這里進行二次熱交換并向建筑物室內輸送。熱泵機組可以改變傳熱方向，通過換向閥可以在任何時間實現供熱或制冷的切換。

在夏季，壓縮機把低壓制冷劑蒸氣壓縮后，成為高壓制冷劑氣體進入冷凝器，在冷凝器中通過與地埋管提供的冷水進行熱交換，制冷劑冷凝為高壓液體，經熱力膨脹閥的節流膨脹后進入蒸發器，與室內負荷環境進行熱交換，從而達到建筑物室內降溫的目的。在冬季，熱泵機組通過換向閥的切換，使制冷工況時的冷凝器在這時變為蒸發器，制冷工況時的蒸發器變成冷凝器。通過蒸發器吸收地埋管提供的熱量，在機組循環的過程中向建筑物供熱。

1.3 室內末端系統

室內末端系統即建筑物內的風機盤管換熱系統或散熱器系統，是三級換熱系統（負荷系統）。該系統的布置及設計與普通的中央空調系統及普通的鍋爐供暖系統沒有任何區別。在冬季熱泵機組可以向散熱器系統提供45～55℃的采暖熱水，夏季熱泵機組向風機盤管系統提供7～12℃的空調冷凍水，如果需要給建筑物提供24h熱水，專門單獨設置一臺熱泵可以常年提供熱水。

2 地源熱泵技術的優越性

（1）能源的可得性強，地源熱泵利用淺層常溫土壤、地下水或地表水中所蘊藏的熱能，無處不在，隨地可取，特別容易獲得。

（2）能源的安全可靠性，地熱能蘊藏豐富，取之不盡，且地溫恒定，可長期利用，安全可靠。

（3）能源的可再生性，地熱能屬于清潔可再生能源，具有可持續性，使用效率較高，且不會向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，沒有任何污染，是一種理想的“綠色技術”。

（4）一機多用，功能全面。利用同一套機組，可實現在冬季向建筑物供暖、在夏季向建筑物提供冷源、一套系統可以替換原來的鍋爐和空調兩套裝置或系統，不僅接生了能源，而且減少了設備的初投資，并且可以向建筑物提供熱水等多重功能。

（5）適用范圍廣泛，地源熱泵技術可以廣泛應用于普通住宅、別墅、公寓、寫字樓、學校、醫院、賓館酒店、商場、車站、機場、博物館及其他娛樂場所。從嚴寒地區到熱帶地區均適用。

（6）高效節能特性，通常地源熱泵系統在運行過程中，每投入1kW的能量，用戶即可獲得4kW以上的熱量或冷量。地源熱泵系統的換熱效率很高，因此，在產生同樣熱量或冷量的時候，只需要小功率的壓縮機就可實現，其耗電量僅為普通中央空調系統與鍋爐系統的40%～50%。

（7）舒適性好，空氣質量高，低噪音。土—氣型地源熱泵系統，采用全空氣系統，舒適性好。空調送風均勻，溫度分布合理，氣流速度小于0.3m/s，無吹風感。噪音小，采取降噪措施后可小于40dB。可以在任何時間進行制冷模式和供熱模式的相互切換，室內溫度可以根據個人的感受在一定的設計范圍內設定。

（8）低運行費、低維護費，壽命長。這也是該系統的最大的優點。地源熱泵系統的高效節能特點決定了它的低運行費用，維修量極少，使用壽命同建筑物的使用壽命相同，折舊費和維修費也大大低于傳統空調。自動化程度高，無須專業人員操控。土—氣型地源熱泵系統的供暖和制冷奮勇只相當于普通的供暖和制冷技術費用的30%～60%。地源熱泵系統不帶室外安裝的設備，不設冷卻塔、屋頂風機，沒有室外設備安裝維護的費用。壓縮機工作穩定，不會出現傳統設備中制冷劑壓力過高或過低的現象，其維護費用大大低于中央空調。

（9）節省建筑空間、易于管理、運行靈活。沒有中央機房、冷卻塔、鍋爐房和其他室外設備及其附屬的煤場、渣場所占用的寶貴用地面積，沒有中央空調的集中占地問題，節省了空間和地皮，產生附加經濟效益，并改善了環境外部形象。室內系統是分散式系統，故每個區域的主風管道截面高度較小，不會像傳統空調系統那樣過多占用建筑內的吊頂空間，從而保證每層的使用空間。可以實現機組獨立計費，分戶計量，方便管理。每臺機組可獨立供冷或供熱，個別機組故障不影響整個系統的運行。機組運行工況穩定，幾乎不受環境溫度變化的影響，即使在寒冷的冬季制熱量也不會衰減，更不會結霜。

（10）經濟性好。土—氣型地源熱泵系統的初裝費用與傳統的空調初裝費用相當，但運行費用比傳統空調系統低50%，地源熱泵技術一般只需10年的時間就能收回成本，而傳統的戶式中央空調卻需要至少20年才能收回成本，對用戶來說是十分經濟的。

3 地源熱泵技術的發展現狀及在我國的應用

從20世紀90年代中期以來，地源熱泵在世界上許多國家，尤其是在東歐、西歐和北美，一直有著持續高速發展的趨勢。至2005年，世界上33個國家已經安裝了130萬臺地源熱泵裝置，總裝機15723MWt，是2000年的2.98倍。我國國土地理位置主要在溫帶，有相當豐富的淺層地源能資源，大力發展地源熱泵技術的條件十分優越。地源熱泵在我國呈現出飛速發展的勢頭。我國利用熱泵技術的城市主要包括北京、沈陽等30多個城市，全國范圍利用水源熱泵和土壤源熱泵技術的面積已經達到6000萬m2。截至2007年9月底，北京地區利用水源熱泵和土壤源熱泵供暖或制冷的面積已經達到1052萬m2。

4 地源熱泵系統實際應用工程案例

4.1 中石化管理干部學院地源熱泵系統

中石化管理干部學院總建筑面積51711m2，由教學樓、圖書館、教研樓、綜合樓和體育活動中心組成，采用地源熱泵空調系統為所有建筑提供冬季供暖和夏季制冷，系統于2003年年底投入使用。

地下話熱系統采用了垂直地埋管系統，共鉆取了364個換熱孔，控徑150mm，孔深150m，孔間距5m，布管總長度57700m。根據建筑物布局和使用功能，總建設了4個熱泵機房，其中1#機房為體育中心提供冬季采暖和夏季制冷，選用1臺熱泵機組，制熱量1022kW，制冷量為820kW，機房占地面積85m2；2#機房為綜合樓提供冬季采暖和夏季制冷，選用8臺熱泵機組，總制熱量3040kW，總制冷量2880kW，占地面積210m2；3#機房為教研樓提供冬季采暖和夏季制冷，選用1臺機組，制熱量304kW，制冷量288kW，占地面積35m2；4#機房為教學樓和圖書館提供冬季采暖和夏季制冷，選用5臺熱泵機組，總制熱量1824kW，總制冷量1728kW，占地面積150m2。經過2004年10月～2005年9月的運行實踐，根據測算實際運行費用為：冬季采暖20.1元/m2；夏季制冷13.4元/m2。

4.2 空軍豐臺招待所水源熱泵系統

空軍豐臺招待所是一所集住宿、會議、餐飲娛樂為一體的三星級酒店。建筑面積2.5萬m2，夏季空調制冷，冬季暖氣片采暖，采用水源熱泵系統實現。

利用地下水作為冷、熱源，共鉆鑿換熱井5眼，3抽2灌，抽水井單井出水量120m2/h，水溫15℃左右，井水換熱后通過回灌井返回地下。

本工程采用2臺GHP600型、1臺GHP300型熱泵機組，在夏季提供7～12空調用冷凍水，冬季提供55～45采暖熱水。另選用1臺GHP300型機組，常年提供24h生活熱水。

該系統2000年10月25日竣工并投入運行，目前運行效果良好，冬季室內溫度可達22～27℃，已超過北京市供暖標準。根據測算，冬季采暖實際運行費用為13.5元/m2，夏季制冷實際運行費用15.3元/m2。

4.3 山水文園三期高檔住宅項目地源熱泵系統

山水文園三期住宅項目位于北京市十里河，是集高檔單元住宅、別墅為一體的住宅建設項目，總建筑面積19.8萬平方米，共有6棟單元住宅樓（地下3層、地上最高14層，首層及二層為商業）、5棟別墅構成。

該項目采用地源熱泵系統為建筑物供暖和制冷，地下換熱系統采用巖土層垂直地埋管系統，鉆孔深度80～100m，其中部分地埋管位于建筑物下方，部分位于道路綠化區域內，地埋管匯集后與設置在某住宅樓地下室的分（集）水器相連接。該項目沒有采用集中熱泵機組，而是采用分散的戶式熱泵，于每戶適當位置設1臺水—水式水源熱泵機組（型號：L086WLD—HLA/AS，重246kg，額定制冷量22.3kW，額定制熱量30kW，制冷輸入功率5.5kW，制熱輸入功率6.5kW），地埋管內的換熱介質經分—集水器后直接送入各戶的熱泵機組，經機組換熱后供室內使用。該系統在2007～2008年度試運行，效果良好。

5 結語

通過本文的論述，我們認為地源熱泵技術具有節約能源的優點，也可以廣泛應用于普通住宅及公用建筑，且經濟實用，運行效果良好。