地源熱泵在河南農(nóng)村建筑中的應用

肖洪濤， 高賀香

河南黃淮學院（463000）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,大部分城市郊區(qū)的農(nóng)村逐漸發(fā)展成為“都市村莊”，大大減小了城鄉(xiāng)差距，農(nóng)村居民空調(diào)的擁有量呈直線上升,農(nóng)村建筑環(huán)保節(jié)能已成為當今人們共同關注的熱點問題，建筑節(jié)能刻不容緩。地源熱泵是一種利用地球淺層資源(包括土壤、地下水、地表水)的既可供暖又可制冷的高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。它利用鋪設在土壤、地表水中的換熱管道，實現(xiàn)空調(diào)房間與土壤、地表水等的換熱，以達到建筑空調(diào)的效果。地埋管換熱系統(tǒng)在建設工程熱泵系統(tǒng)中占有很大的比例,其成功的關鍵在于根據(jù)特定的地質(zhì)條件進行合理的埋管設計和施工。在實際工作中，要綜合考慮工作區(qū)的氣象、土壤介質(zhì)的巖性和水文地質(zhì)參數(shù)等，才能夠?qū)ο到y(tǒng)進行優(yōu)化設計,以合理的費用保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。本文通過駐馬店市城市郊區(qū)某村莊用能為例,介紹了地溫能在廣大農(nóng)村的發(fā)展前景及潛力。

1 河南駐馬店地區(qū)農(nóng)村用能現(xiàn)狀

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，農(nóng)民生活質(zhì)量的提高,農(nóng)村工業(yè)化、城鎮(zhèn)化，城鎮(zhèn)化率達到30%左右，各種電器下鄉(xiāng),農(nóng)村用能越來越多,電能消耗量迅猛增長,因而節(jié)能設計在農(nóng)村建筑中迫在眉睫。針對農(nóng)村住宅院落大，房間寬敞，層高大，門窗洞口大的特點，節(jié)能主要從農(nóng)村取暖及制冷方面入手。

2 本地區(qū)水文地質(zhì)條件

1）淺層地下水類型為潛水，賦存于土體孔隙、裂縫中，主要接受大氣降水補給,地下水的排泄主要是蒸發(fā)排泄，同時也存在季節(jié)性開采排泄。地下水的逕流速度較為緩慢。地下水位受季節(jié)和氣候的影響，地下水位埋深約1.5 m，年最高水位為1.0 m。

2）該區(qū)場地抗震設防烈度為6度，第四系覆蓋層厚度在80～100 m,為第四系中更新統(tǒng)老粘性土,凍土深度小于0.6 m、地勢平坦、土層分布均勻、干強度中等、韌性中等、飽和、可塑、土層結(jié)構導熱能力較強、結(jié)構松散的沉積物孔隙率較大，其中的地下水增大了熱容量，而且通過研究，水的導通提高熱源擴散速度,流動的地下水可以降低熱污染的風險，有利于系統(tǒng)的安全運行。在巖石中埋管要比土壤介質(zhì)中困難的多，費用也大大提高。

3 地源熱泵技術在建筑中的應用

1）原理:由于大地作為太陽能的蓄熱體，是一個理想的熱源，地表淺層5 m以下、400 m以上的范圍內(nèi)，一年四季的溫度基本是恒定的。本方案采用垂直埋管式換熱裝置，利用存在于地表淺層的地熱能。在冬季，地源熱泵系統(tǒng)通過埋在地下的封閉管路(稱為環(huán)路)從大地收集自然界的熱量，而后由環(huán)路中的循環(huán)水把熱量帶到室內(nèi),通過與室內(nèi)的熱量交換，提高室溫；在夏季，此運行程序則相反，地源熱泵系統(tǒng)將從室內(nèi)抽出的多余熱量排入環(huán)路而為大地所吸收,使房屋得到供冷。猶如電冰箱那樣，從冰箱內(nèi)部抽出熱量并將它排出箱外使箱內(nèi)保持低溫。本項目區(qū)別于常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)的方面，主要是一個多種可再生能源的復合系統(tǒng)。冬季地源熱泵和太陽能聯(lián)合供暖,夏季是地源熱泵和自然蓄冷的聯(lián)合供冷，同時還有地源熱泵夜間蓄冷水,而生活熱水由地源熱泵和太陽能聯(lián)合提供。項目中采用了溫濕度獨立控制技術。制冷、供熱季節(jié)系統(tǒng)末端采用輻射地板+溶液式全熱回收新風機組。溶液式全熱回收新風機組負責濕度控制。地板輻射負責室內(nèi)的溫度控制。

2）埋管方式:為了減少工程造價，該村莊采用每戶在院內(nèi)打深井,土壤熱交換器地下埋管通常是150 mm直徑的PE管,埋管深度約90米，采用垂直和水平埋管。垂直室外埋管采用鉆孔垂直直埋管，鉆孔間距為5 m×5 m，室內(nèi)垂直管采用墻埋管。水平埋管主要從混凝土墊層內(nèi)穿越到室內(nèi)，樓層采用混凝土天棚輻射制冷制熱系統(tǒng)。敷設于樓板混凝土中的管道，應根據(jù)水流溫度范圍、工作壓力、50年使用壽命、投資費用、工程質(zhì)量、技術要求等因素選擇。本工程中采用了D20×2.0 聚丁烯(PB)管。 PB 管具有以下優(yōu)點:耐壓、耐磨性能佳；接頭具有極高的可靠性，其連接強度高于管壁；PB管對應力裂紋具有很大的抵抗能力；由于管壁厚度小節(jié)省材料，加之在相同管外徑條件下具有斷面積大、單位長度水頭損失小的水力工況，使PB管道有著比其它塑料管道更加節(jié)能的優(yōu)點。實際施工中將PB管埋設于200 mm厚樓板現(xiàn)澆層的下層鋼筋之上、水電管線及上層鋼筋之中，通過輻射方式進行熱交換。

4 使用效果

本工程地源熱泵系統(tǒng)自投入使用，經(jīng)歷了一段時間，期間效果良好。冬季運行時,COP約為4.2,即投入1 kW電能，可得到 4 kW 的熱能,夏季運行時,COP可達 5.3,投入 1 kW電能，可得到5 kW的冷量。其能源利用效率為電采暖方式的3～4倍，并且熱交換器不需要除霜，減少了結(jié)霜和除霜的用電能耗。比常規(guī)空氣源空調(diào)節(jié)能50%左右。

地源熱泵系統(tǒng)與風冷熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟性比較,地源熱泵機組采用標準構件，需要時各部件的修配和更換很方便。因為設計簡單，并不需要高技術的操作工程人員的服務，適合農(nóng)村使用。

5 結(jié)束語

地埋管設計的優(yōu)劣是影響地源熱泵工程質(zhì)量的關鍵，在實踐中，無論是水平埋管還是垂直埋管，都應當對當?shù)厮牡刭|(zhì)要素以足夠的重視。在工程實踐中應綜合地考慮地區(qū)氣象、地質(zhì)、水文地質(zhì)因素，結(jié)合實際施工條件，設計最優(yōu)的井數(shù)、井距和井深，選擇合理的鉆井工藝和回填材料，以最少的投資費用使系統(tǒng)發(fā)揮最大的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

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