地源熱泵在建筑節(jié)能中的應(yīng)用

高源

（中油遼河工程有限公司熱力工程所，遼寧 盤錦 124010）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，居住環(huán)境的舒適性和低碳環(huán)保越來越成為現(xiàn)代綠色建筑的新標(biāo)準(zhǔn)。我們應(yīng)采取各種有效的技術(shù)和管理措施，公共建筑和住宅的供暖和空調(diào)已成為人們的普遍要求，空調(diào)早已悄悄進(jìn)入我們的生活。作為目前改善建筑熱舒適條件的工具，在上?？照{(diào)家庭擁有率已達(dá)到平均1臺以上。作為中國傳統(tǒng)供熱模式的燃煤鍋爐不僅能源利用率低，燃?xì)忮仩t運(yùn)行費(fèi)用又相對較高，而且還會給大氣造成嚴(yán)重的污染。地源熱泵正以其節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的突出優(yōu)點(diǎn)，如何在建筑熱舒適條件得到改善的條件下把建筑耗能量減下來，日益成為空調(diào)供暖工程優(yōu)先選擇的方案之一。減輕對大氣環(huán)境的污染，隨著空調(diào)設(shè)備的日益普及，建筑耗能量勢必將迅猛增加，成了暖通界人士首要其沖需要解決的問題。對大氣環(huán)境的污染也將日趨嚴(yán)重。在保證使用功能不降低的情況下，對原有建筑物有計(jì)劃地進(jìn)行節(jié)能改造，把新建房屋建筑的能耗較大幅度地降下來，地源熱泵作為一種有益環(huán)境、節(jié)約能源和經(jīng)濟(jì)可行的建筑物，達(dá)到節(jié)省能源、保護(hù)環(huán)境和提高人民生活質(zhì)量的目的，供暖及制冷新技術(shù)越來越受到關(guān)注。

1 地源熱泵的現(xiàn)狀

美國是世界上地源熱泵生產(chǎn)、使用和發(fā)展的頭號大國。1946年，美國第一臺地源熱泵系統(tǒng)在波蘭特市中心區(qū)安裝成功。1994年，美國政府第一套地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在俄勒岡州國會大學(xué)安裝，地源熱泵從此在美國政府、軍隊(duì)、電力公司等得到了大量應(yīng)用。1998年，美國環(huán)保署頒布法規(guī)，要求在全國聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)的建筑中推廣應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)。地源熱泵是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源，包括地下水、土壤或地表水等)的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源，現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源，即在冬季，把地能中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖，夏季把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地下去。全球75%的地源熱泵系統(tǒng)安裝在北美地區(qū)。

1.1 地源熱泵技術(shù)認(rèn)識不足

國內(nèi)大型地源熱泵的發(fā)展，大部分都是以商家宣傳的使用效果為主，但是之前大型地源熱泵在全世界各國均未得到大量開發(fā)和使用，在某些程度上看是起源于國外小型地源熱泵機(jī)組的引進(jìn)和應(yīng)用，正對工程設(shè)計(jì)人員有參考價(jià)值的資料較少，容易保守地選擇老品牌，許多人對老技術(shù)和老品牌過于依賴，造成了選擇失誤。

1.2 施工設(shè)計(jì)參數(shù)不合理

地下溫度變化特性根據(jù)地區(qū)的不同，因?yàn)闆]有更多的創(chuàng)新技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，巖土結(jié)構(gòu)的不同差異較大，所以缺少更多、更先進(jìn)，其是對淺層恒溫的利用，更實(shí)用的指導(dǎo)性規(guī)范和實(shí)用性可參考的資料。尤只要工程施工質(zhì)量良好，節(jié)能不好，冷暖效果不好，專業(yè)性規(guī)范和可操作性工具資料缺乏。

2 地源熱泵系統(tǒng)

2.1 工作原理

地源熱泵是利用地下地?zé)豳Y源的高效節(jié)能環(huán)保型空調(diào)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)能量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移。地源熱泵系統(tǒng)在制冷狀態(tài)下，地源熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)對冷媒做功，使其進(jìn)行汽-液轉(zhuǎn)化的循環(huán)。冬季熱泵機(jī)組從地源中吸收熱量，并向建筑物內(nèi)供暖，夏季熱泵機(jī)組從室內(nèi)吸收熱量并轉(zhuǎn)移釋放到地源中實(shí)現(xiàn)制冷。在室內(nèi)熱量通過室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)、水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)和室外地能換熱系統(tǒng)不斷轉(zhuǎn)移至地下的過程中。通過冷媒/空氣熱交換器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)，將室內(nèi)空氣循環(huán)所攜帶的熱量吸收至冷媒中，最終通過室外地能換熱系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至地下水或土壤里。在冷媒循環(huán)的同時再通過冷媒/水熱交換器內(nèi)冷媒的冷凝，地源熱泵機(jī)組內(nèi)的壓縮機(jī)對冷媒做功，并通過四通閥將冷媒流動方向換向。由循環(huán)水路將冷媒中所攜帶的熱量吸收，由室外地能換熱系統(tǒng)吸收地下水或土壤里的熱量，地源熱泵系統(tǒng)在制熱狀態(tài)下，通過水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)內(nèi)冷媒的蒸發(fā)，將水路循環(huán)中的熱量吸收至冷媒中，在冷媒循環(huán)的同時再通過冷媒/空氣熱交換器內(nèi)冷媒的冷凝。

2.2 系統(tǒng)劃分

根據(jù)地?zé)峤粨Q系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)主要由室外地能換熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組系統(tǒng)和室內(nèi)采暖空調(diào)末端系統(tǒng)3個部分組成。地源熱泵系統(tǒng)分為。地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)，和地埋管地源熱泵系統(tǒng)組成。3個系統(tǒng)之間靠水或空氣進(jìn)行熱量傳遞，與建筑物采暖空調(diào)末端之間的換熱介質(zhì)，水源熱泵機(jī)組與地能之間換熱介質(zhì)為水。

3 地源熱泵在建筑節(jié)能中的發(fā)展

中國經(jīng)濟(jì)高速增長，社會購買力大大增強(qiáng)，隨著科技的發(fā)展，地源熱泵的技術(shù)將更加成熟和完善，地源熱泵的高初投資對其應(yīng)用的影響將越來越小，地源熱泵必將擁有更加廣闊的發(fā)展前景。地源熱泵系統(tǒng)緊湊，省去了鍋爐房和冷卻塔，節(jié)省建筑空間，也有利于建筑的美觀。節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為世界發(fā)展的三大主題。地源熱泵在中國的研究與應(yīng)用還處于起步階段，熱泵工質(zhì)的研制和開發(fā)還需要進(jìn)一步深入進(jìn)行，各地區(qū)的地下熱源狀況、土壤熱物性資料還需要進(jìn)一步搜集和整理，地源熱泵的系統(tǒng)性能優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)性分析也尚待深化。地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)，但地源熱泵系統(tǒng)被認(rèn)為是目前可使用的對環(huán)境最友好和最有效的供熱、供冷系統(tǒng)。根據(jù)國外的經(jīng)驗(yàn)，由于地源熱泵運(yùn)行費(fèi)用低，可應(yīng)用于賓館、商場、辦公樓、學(xué)校等建筑。不同地區(qū)，不同地質(zhì)條件，不同能源結(jié)構(gòu)及價(jià)格等都將直接影響到其經(jīng)濟(jì)性。地源熱泵系統(tǒng)在整個服務(wù)周期內(nèi)的平均費(fèi)用將低于傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)。地源溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，整個系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用也較鍋爐-制冷機(jī)系統(tǒng)大大減少，增加的初投資可在3～7年內(nèi)收回，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

結(jié)論

近年來，大型水/地源熱泵新技術(shù)在中國已經(jīng)開始不斷創(chuàng)新和發(fā)展應(yīng)用，在一定程度上，催生了全球化熱泵冷暖的發(fā)展，引領(lǐng)了新能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新的新潮流，大型熱泵冷暖技術(shù)和節(jié)能減排事業(yè)發(fā)展并將成為主流。

[1]曾和義，方肇洪.U型埋管地?zé)釗Q熱器中介質(zhì)軸向溫度的數(shù)學(xué)模型[M].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，17(1):7-12，2002.

[2]方肇洪，刁乃仁，蘇登超，崔萍.豎直U型埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝[M].現(xiàn)代空調(diào)，中國建筑工業(yè)出版社，2001.Vo.l 3，101-105.

[3]柳曉雷，王德林，方肇洪.豎直埋管地?zé)釗Q熱器的傳熱模型與計(jì)算[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，21(2):1-3，2001.

[4]于明志，方肇洪.土壤凍結(jié)對地?zé)釗Q熱器傳熱的影響[M].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，16(1)，2001.