地源熱泵技術(shù)在建筑工程中的運(yùn)用

地源熱泵技術(shù)在建筑工程中的運(yùn)用0引言現(xiàn)今在我國(guó)，建筑能耗占全社會(huì)總能耗的27%左右，其中建筑物供熱空調(diào)的能耗占整個(gè)建筑能耗的60%左右。因此，降低供熱空調(diào)系統(tǒng)的能耗，尋求既節(jié)能又環(huán)保的供熱空調(diào)方式成為當(dāng)務(wù)之急。近年來(lái)，我國(guó)各級(jí)政府及建設(shè)主管部門高度重視建筑節(jié)能新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，相繼出臺(tái)了若干政策和規(guī)劃方案，支持可再生能源技術(shù)在建筑中的推廣應(yīng)用。在此背景下，供熱空調(diào)新技術(shù)如雨后春筍般飛速發(fā)展。在眾多供熱空調(diào)新技術(shù)中，地源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展最為迅速。地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)的供熱空調(diào)系統(tǒng)相比大約節(jié)能30%—50%，是一種利用可再生能源的高效節(jié)能、無(wú)污染既可供暖又可制冷的新型空調(diào)系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代以來(lái)，地源熱泵技術(shù)在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。但是由于地源熱泵技術(shù)水平較高，涉及多個(gè)專業(yè)，一些問(wèn)題值得我們?cè)谕茝V應(yīng)用中注意。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°C?21°C.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)嵩矗纯照{(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。地源熱泵在我國(guó)部分城市運(yùn)用取得的收益2．1地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)是目前國(guó)際上最先進(jìn)的中央空調(diào)系統(tǒng)，它的制熱量/靜J冷量和所消耗的電功率之間的比值全年平均高于4.0以上，即輸入lkW的電能，就能夠得到4kW以上的熱量。制熱能耗量較其他采暖方式減少50%?70%；制冷能耗量較其他制冷方式減少40%?60%。地源熱泵系統(tǒng)會(huì)節(jié)省大量的運(yùn)行費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。地源熱泵采取小溫差、大流量工作模式，在房間內(nèi)不會(huì)感覺(jué)到任何風(fēng)吹感，加上自帶的新風(fēng)模式，整個(gè)系統(tǒng)提供了回歸大自然般的宜人環(huán)境。地源熱泵系統(tǒng)工作起來(lái)非常安靜，它將會(huì)提供一個(gè)宜人的室內(nèi)、外環(huán)境。2．2地源熱泵系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)環(huán)保的1） 地源熱泵系統(tǒng)不直接消耗煤或燃油、天然氣等，沒(méi)有任何直排物j2） 地源熱泵將室內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下土壤中存放。從源頭上根除了空調(diào)系統(tǒng)對(duì)城市熱島的貢獻(xiàn)；3） 高效的地源熱泵系統(tǒng)采用非常嚴(yán)格的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了能量輸出和建筑物能量需求的直接對(duì)應(yīng)，減少了剩余能量的損耗；4） 高效的地源熱泵系統(tǒng)，輸出同等量的有用能量，僅僅消耗30%--60%的電功率。高效的一次能源利用率，是地源熱泵系統(tǒng)環(huán)保效果的最直接原因。2．3地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性1）高效的輸出功率和輸入功率比值。同樣的建筑，將會(huì)節(jié)省一大筆額外的運(yùn)行費(fèi)用；2）“傻瓜操作模式”的運(yùn)行管理，會(huì)節(jié)省一大筆管理費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。兩筆費(fèi)用的節(jié)省，在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)將初投資全部收回，地源熱泵系統(tǒng)無(wú)廢氣排放就可讓房屋冬暖夏涼。如：湖北某地產(chǎn)發(fā)展有限公司在武漢投資開(kāi)發(fā)的住宅小區(qū)，前期策劃籌備時(shí)，將其定位于中高檔住宅，面向中高收入人群，考慮到武漢夏熱冬冷地區(qū)的特性，將住宅中央空調(diào)考慮k~-2-從節(jié)省初資，降低運(yùn)行費(fèi)用，結(jié)合武漢的經(jīng)濟(jì)條件和地產(chǎn)市場(chǎng)價(jià)格因素考慮，選擇了地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)。該樓盤自開(kāi)盤以來(lái)，地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)成了最大的賣點(diǎn)，甚至出現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)宣傳冊(cè)比售樓冊(cè)還受歡迎的局面，售樓的均價(jià)從開(kāi)盤時(shí)的2800兀耐上升至3600 /m2，為該公司帶來(lái)了極大的經(jīng)濟(jì)效益，從用戶來(lái)講，采用這種空調(diào)方式，能夠在花費(fèi)很少的空調(diào)費(fèi)用的同時(shí)也享受中央空調(diào)的舒適性（該小區(qū)空調(diào)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為空調(diào)使用時(shí)間平均0.1元/（n12.d）），所以應(yīng)該說(shuō)這是一個(gè)雙贏的方案選擇。分類與運(yùn)用熱泵分類熱泵是需要冷凝器的熱量，蒸發(fā)器則從環(huán)境中取熱，此時(shí)從環(huán)境取熱的對(duì)象稱為熱源；相反制冷是需要蒸發(fā)器的冷量，冷凝器則向環(huán)境排熱，此時(shí)向環(huán)境排熱的對(duì)象稱為冷源。蒸發(fā)器冷凝器根據(jù)循環(huán)工質(zhì)與環(huán)境換熱介質(zhì)的不同，主要分為空氣換熱和水換熱兩種形式。這樣熱泵或制冷機(jī)根據(jù)與環(huán)境換熱介質(zhì)的不同，可分為水—水式，水—空氣式，空氣—水式，和空氣—空氣式共四類。利用空氣作冷熱源的熱泵，稱之為空氣源熱泵?？諝庠礋岜糜兄凭玫臍v史，而且其安裝和使用都很方便，應(yīng)用較廣泛。但由于地區(qū)空氣溫度的差別，在我國(guó)典型應(yīng)用范圍是長(zhǎng)江以南地區(qū)。在華北地區(qū)，冬季平均氣溫低于零攝氏度，空氣源熱泵不僅運(yùn)行條件惡劣，穩(wěn)定性差，而且因?yàn)榇嬖诮Y(jié)霜問(wèn)題，效率低下。利用水作冷熱源的熱泵，稱之為水源熱泵。水是一種優(yōu)良的熱源，其熱容量大，傳熱性能好，一般水源熱泵的制冷供熱效率或能力高于空氣源熱泵，但由于受水源的限制，水源熱泵的應(yīng)用遠(yuǎn)不及空氣源熱泵。3.2地源熱泵工作原理及分類地源熱泵則是利用水源熱泵的一種形式，它是利用水與地能（地下水、土壤或地表水）進(jìn)行冷熱交換來(lái)作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量“取”出來(lái)，供給室內(nèi)采暖，此時(shí)地能為“熱源”；夏季把室內(nèi)熱量取出來(lái)，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時(shí)地能為“冷源”。地源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)主要分三部分：室外地能換熱系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)組和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)。其中水源熱泵機(jī)主要有兩種形式：水—水式或水—空氣式。三個(gè)系統(tǒng)之間靠水或空氣換熱介質(zhì)進(jìn)行熱量的傳遞，水源熱泵與地能之間換熱介質(zhì)為水，與建筑物采暖空調(diào)末端換熱介質(zhì)可以是水或空氣。地源熱泵同空氣源熱泵相比，有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）全年溫度波動(dòng)小。冬季溫度比空氣溫度高，夏季比空氣溫度低，因此地源熱泵的制熱、制冷系數(shù)要高于空氣源熱泵，一般可高于40%，因此可節(jié)能和節(jié)省費(fèi)用40%左右。（2）冬季運(yùn)行不需要除霜，減少了結(jié)霜和除霜的損失。（3）地源有較好的蓄能作用。土壤源熱泵土壤源熱泵以大地作為熱源和熱匯，熱泵的換熱器埋于地下，與大地進(jìn)行冷熱交換。土壤源熱泵系統(tǒng)主機(jī)通常采用水—水或熱泵機(jī)組或水—?dú)鉄岜脵C(jī)組。根據(jù)地下熱交換器的布置形式，主要分為垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三類。垂直埋管換熱器通常采用的是U型方式，按其埋管深度可分為淺層（〈30m）,中層（30?100m）和深層（〉100m）三種。埋管深，地下巖土溫度比較穩(wěn)定，鉆孔占地面積較少，但相應(yīng)會(huì)帶來(lái)鉆孔、鉆孔設(shè)備的經(jīng)費(fèi)和高承壓埋管的造價(jià)提高?？偟膩?lái)說(shuō)，垂直埋管換熱器熱泵系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于：（1）占地面積??；（2）土壤的溫度和熱特性變化??；（3）需要的管材最少，泵耗能低；（4）能效比很高。而劣勢(shì)主要在于：由于相應(yīng)的施工設(shè)備和施工人員的缺乏，造價(jià)偏高。水平埋管換熱器有單管和多管兩種形式。其中單管水平換熱器占地面積最大，雖然多管水平埋管換熱器占地面積有所減少，但管長(zhǎng)應(yīng)相應(yīng)增加來(lái)補(bǔ)償相鄰管間的熱干擾。水平埋管換熱器熱泵系統(tǒng)由于施工設(shè)備廣泛使用而且施工人員易找，又加上許多家庭有足夠大的施工場(chǎng)地，因此造價(jià)就可以減下來(lái)。除需要較大場(chǎng)地外，水平埋管換熱器系統(tǒng)的劣勢(shì)還在于：運(yùn)行性能上不穩(wěn)定（由于淺層大地的溫度和熱特性隨著季節(jié)、降雨以及埋深而變化）；泵耗能較高；系統(tǒng)效率降低。蛇行埋管換熱器比較適用于場(chǎng)地有限又較經(jīng)濟(jì)的情況下。雖然挖掘量只有單管水平埋管換熱器20%?30%,但是用管量會(huì)明顯增加。這種方式優(yōu)缺點(diǎn)類似于水平埋管換熱器，所以有的文獻(xiàn)將其歸入水平埋管換熱器。下耦合熱泵，閉環(huán)水源熱泵標(biāo)準(zhǔn)名稱ARI分類制冷與供熱制冷供熱制冷時(shí)的分布整體式系統(tǒng)HSP-GSHOSP-GSHOSP-GS風(fēng)扇蒸發(fā)器壓縮機(jī)冷凝器分體式系統(tǒng)HRCU-GS-CBHORCU-GS-CBHORCU-GS-CB風(fēng)扇蒸發(fā)器壓縮機(jī)冷凝器分體式系統(tǒng)室內(nèi)無(wú)風(fēng)扇HRCU-GS-CHORCU-GS-CHORCU-GS-C蒸發(fā)器壓縮機(jī)冷凝器標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)工況a.制冷（不宜用于僅供熱的機(jī)組）：室內(nèi)單元空氣溫度： 干球溫度26.7°C，濕球溫度19.4 °C環(huán)境空氣溫度： 干球溫度26.7C換熱器進(jìn)口流體溫度： 21.1C流體流量： 由制造商確定（該流量應(yīng)用于所有測(cè)試工況）b.供熱（不宜用于僅制冷的機(jī)組）室內(nèi)單元機(jī)組空氣溫度： 干球溫度21.1C，濕球溫度 15.6 C （最大值）環(huán)境空氣溫度： 干球溫度21.1C換熱器進(jìn)口流體溫度： 0C流體流量： 由標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)制冷工況測(cè)試確定地下水熱泵系統(tǒng)在土壤源熱泵得到發(fā)展以前，歐美國(guó)家最常用的地源熱泵系統(tǒng)是地下水熱泵系統(tǒng)。目前在民用中已經(jīng)很少使用，主要應(yīng)用在商業(yè)建筑中。最常用的系統(tǒng)形式是采用水—水式板式換熱器，一側(cè)走地下水，一側(cè)走熱泵機(jī)組冷卻水。早期的地下水系統(tǒng)采用的是單井系統(tǒng)，即將地下水經(jīng)過(guò)板式換熱器后直接排放。這樣做，一則浪費(fèi)地下水資源，二則容易造成地層塌陷，引起地質(zhì)災(zāi)害。于是產(chǎn)生了雙井系統(tǒng)，一個(gè)井抽水，一個(gè)井回灌。地下水熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是造價(jià)要比土壤源熱泵系統(tǒng)低，另外水井很緊湊，不占什么場(chǎng)地，技術(shù)也相對(duì)比較成熟，水井承包商也容易找。其劣勢(shì)就在于：1.有些地方法規(guī)禁止抽取或回灌地下水；2.可供的地下水有限；3.如水質(zhì)不好或打井不合格要注意水處理；4.如泵選擇過(guò)大、控制不良或水井與建筑偏遠(yuǎn)，泵耗能就會(huì)過(guò)大。地表水熱泵系統(tǒng)地表水熱泵系統(tǒng)主要有開(kāi)路和閉路系統(tǒng)。在寒冷地區(qū)，開(kāi)路系統(tǒng)并不適用，只能采用閉路系統(tǒng)?？偟膩?lái)說(shuō)，地表水熱泵系統(tǒng)具有相對(duì)造價(jià)低廉、泵耗能低、維修率低以及運(yùn)行費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)。但是，在公共用的河中，管道或水中的其他設(shè)備容易受到損害。另外，如果湖泊過(guò)小或過(guò)淺，湖泊的溫度會(huì)隨著室外氣候發(fā)生較大的變化，這就會(huì)產(chǎn)生效率降低，制冷或供熱能力降低的后果。地下水源熱泵標(biāo)準(zhǔn)名稱ARI分類制冷時(shí)的分布制冷與供熱整體式系統(tǒng)HSP-GWHOSP-GW風(fēng)扇壓縮機(jī)蒸發(fā)器冷凝器分體式系統(tǒng)HRCU-GW-CBHORCU-GW-CB風(fēng)扇壓縮機(jī)蒸發(fā)器冷凝器分體式系統(tǒng)室內(nèi)無(wú)風(fēng)扇HRCU-GW-CHORCU-GW-C壓縮機(jī)蒸發(fā)器冷凝器

標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)工況a.制冷（高溫，不宜用于僅供熱的機(jī)組）室內(nèi)單元空氣溫度：干球溫度26.7°C，濕球溫度19.4°C環(huán)境空氣溫度：干球溫度26.7C換熱器進(jìn)口水溫：21.1C水流量：由制造商確定b.制冷（低溫，不宜用于僅供熱的機(jī)組）：室內(nèi)單元空氣溫度：干球溫度26.7C，濕球溫度19.4C環(huán)境空氣溫度：干球溫度26.7C換熱器進(jìn)口水溫：10C水流量：由制造商確定c.供熱（高溫）室內(nèi)單元空氣溫度：干球溫度21.1C，濕球溫度15.6C（最大值）環(huán)境空氣溫度：干球溫度21.1C換熱器進(jìn)口水溫：21.1C水流量：由制造商確定d.供熱（低溫）室內(nèi)單元空氣溫度：干球溫度21.1C，濕球溫度15.6C（最大值）環(huán)境空氣溫度：干球溫度21.1C換熱器進(jìn)口水溫：10C水流量：由制造商確定3.3閉環(huán)系統(tǒng)如埋盤管方式（垂直埋管或水平埋管），地表水安置換熱器方式。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)如抽取地下水或地表水方式。此外，還有一種“直接膨脹式”，它不象上述系統(tǒng)那樣采用中間介質(zhì)水來(lái)傳遞熱量，而是直接將熱泵的一個(gè)換熱器（蒸發(fā)器）埋入地下進(jìn)行換熱。地源熱泵應(yīng)用方式地源熱泵的應(yīng)用方式從應(yīng)用的建筑物對(duì)象可分為家用和商用兩大類，從輸送冷熱量方式可分為集中系統(tǒng)、分散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。家用系統(tǒng)用戶使用自己的熱泵、地源和水路或風(fēng)管輸送系統(tǒng)進(jìn)行冷熱供應(yīng)，多用于小型住宅，別墅等戶式空調(diào)。集中系統(tǒng)熱泵布置在機(jī)房?jī)?nèi)，冷熱量集中通過(guò)風(fēng)道或水路分配系統(tǒng)送到各房間。分散系統(tǒng)用中央水泵，采用水環(huán)路方式將水送到各用戶作為冷熱源，用戶單獨(dú)使用自己的熱泵機(jī)組調(diào)節(jié)空氣。一般用于辦公樓、學(xué)校、商用建筑等，此系統(tǒng)可將用戶使用的冷熱量完全反應(yīng)在用電上，便于計(jì)量，適用于目前的獨(dú)立熱計(jì)量要求