地源熱泵技術(shù)在暖通工程中的設(shè)計應(yīng)用

黃代玉

（光大生態(tài)環(huán)境設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷提升，建筑行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大的背景下，暖通工程在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用日益普遍，通過暖通工程的系統(tǒng)化、規(guī)?；瘧?yīng)用，一方面顯著改善了社會大眾的生活質(zhì)量，優(yōu)化了大眾的物質(zhì)生活條件，另一方面也帶來了較為嚴(yán)重的能源消耗問題，能源短缺形勢仍然是非常嚴(yán)峻的。從這一角度上來說，圍繞暖通工程中相關(guān)節(jié)能技術(shù)及其應(yīng)用問題展開研究分析，有著非常重要的意義與價值。在諸多技術(shù)方案中，地源熱泵技術(shù)表現(xiàn)出了良好的清潔性、能效性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及穩(wěn)定性特點，能夠與暖通工程系統(tǒng)良好融合，可在一定程度上替代暖通工程對傳統(tǒng)電力能源的消耗，因此值得關(guān)注。

1 地源熱泵技術(shù)概述

暖通工程系統(tǒng)建設(shè)中所應(yīng)用的地源熱泵技術(shù)是指自一系列低水平熱源材料（如地下水、地表水以及巖土體等在內(nèi)）中獲取能量，并在水源熱泵機(jī)組、建筑內(nèi)部系統(tǒng)以及地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)的作用下轉(zhuǎn)換為可供暖通空調(diào)系統(tǒng)所使用的一種能源提取與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[1]。受能源交換方式特殊性的影響，當(dāng)前技術(shù)條件支持下的地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)可以按照地埋管式、地表水式以及地下水式等進(jìn)行劃分。但無論其系統(tǒng)表現(xiàn)形式如何，在暖通工程系統(tǒng)實踐應(yīng)用中，地源熱泵技術(shù)均表現(xiàn)出了以下幾個方面的應(yīng)用特點與優(yōu)勢：

（1）清潔性。在地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用過程當(dāng)中，借助于電能將地下熱量或者地表熱量轉(zhuǎn)換為暖通工程空調(diào)系統(tǒng)運行所需的能源，并面向其提供能源支持[2]。整個操作過程不涉及到能源燃燒或放熱的情形，因此不會對周邊環(huán)境產(chǎn)生較大污染與不良影響。更加關(guān)鍵的一點是，在地源熱泵技術(shù)的干預(yù)下，省去了傳統(tǒng)意義上建筑暖通工程外部掛機(jī)的設(shè)置，因此這種技術(shù)在實際應(yīng)用期間污染較小，具有良好的清潔性。

（2）能效性。在當(dāng)前技術(shù)條件支持下，地源熱泵技術(shù)已經(jīng)發(fā)展形成了一套較為完善的工作體系，作用于暖通空調(diào)系統(tǒng)工程中對提升其能源利用效率是非常關(guān)鍵的[3]。尤其對于平均氣溫較低的冬季，應(yīng)用地源熱泵技術(shù)能夠使建筑室內(nèi)溫度維持在12~22℃的適宜區(qū)間范圍內(nèi)，供熱期間能源可循環(huán)使用，這對于促進(jìn)系統(tǒng)能效水平提升，控制能源損耗有重要意義。

（3）經(jīng)濟(jì)性。首先，從供熱角度上來說，地源熱泵技術(shù)供熱功能的實現(xiàn)需要在很大程度上依賴于電能的持續(xù)性供應(yīng)，因此能源消耗水平偏低，所投入經(jīng)濟(jì)成本較少，具有突出的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。除此以外，從暖通空調(diào)系統(tǒng)工程冷卻角度上來說，相較于傳統(tǒng)意義上的空調(diào)冷卻系統(tǒng)，基于地源熱泵技術(shù)所產(chǎn)生的冷卻溫度明顯更低，制冷、供熱費用較原系統(tǒng)下降30%。

（4）可靠性。在暖通空調(diào)工程系統(tǒng)應(yīng)用地源熱泵技術(shù)的過程中，管控功能的實現(xiàn)以計算機(jī)控制為依托，并面向操作人員提供遠(yuǎn)程監(jiān)控支持，能夠及時發(fā)現(xiàn)整套地源熱泵系統(tǒng)在運行期間所存在的異常問題，并及時解決，對保障系統(tǒng)運行可靠性，預(yù)防安全隱患產(chǎn)生意義重大。

（5）穩(wěn)定性。將地源熱泵技術(shù)應(yīng)用于暖通空調(diào)工程中，能夠預(yù)防暖通工程受外部不良環(huán)境條件的干擾與不良影響，一方面實現(xiàn)對能源損耗的合理控制，另一方面有助于室內(nèi)環(huán)境舒適度水平的提升[4]。通過對此項技術(shù)的應(yīng)用，可以將建筑內(nèi)部溫度維持在10~25℃的適宜區(qū)間內(nèi)，制冷、供熱系數(shù)可維持在3.5~4.5區(qū)間內(nèi)，從而確保系統(tǒng)整體運行的穩(wěn)定性。

2 地源熱泵系統(tǒng)組成

在深入研究地源熱泵系統(tǒng)整體組成結(jié)構(gòu)之后，會發(fā)現(xiàn)其主要是由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹器、調(diào)節(jié)閥四個關(guān)鍵部件共同構(gòu)建而成，其中壓縮機(jī)是地源熱泵整體結(jié)構(gòu)中非常關(guān)鍵的一種部件，主要因為其是熱傳導(dǎo)的動力源；冷凝器和膨脹器是地源熱泵吸熱和放熱的關(guān)鍵部件；調(diào)節(jié)閥則是地源熱泵系統(tǒng)中的重要控制部件。一般狀況下，都會將地源熱泵系統(tǒng)分為兩部分，主要包括地下部分和地上部分。

2.1 地下系統(tǒng)設(shè)計

考慮到地下系統(tǒng)是地源熱泵系統(tǒng)充分發(fā)揮工作性能的重要保障，其充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，能夠制約地源熱泵系統(tǒng)。

2.2 地上系統(tǒng)設(shè)計

對于地上系統(tǒng)而言，從整體角度出發(fā)研究，可知其主要包括地源熱泵機(jī)房和空調(diào)末端系統(tǒng)。因為地源熱泵設(shè)備的體系小于傳統(tǒng)制冷機(jī)組，并且也能同時實現(xiàn)采暖功能。在此種狀況下，不需要額外設(shè)置供暖設(shè)備，這樣就能夠有效節(jié)省制冷機(jī)房的占地面積和空間。在實際開展空調(diào)末端系統(tǒng)設(shè)計工作期間，能夠發(fā)現(xiàn)該項設(shè)計工作與普通中央空調(diào)末端系統(tǒng)設(shè)計工作具有相似性，但是設(shè)計人員在實際落實設(shè)計工作時，也要格外注意地源熱泵系統(tǒng)在夏季、冬季的進(jìn)出水溫度與傳統(tǒng)形式下的中央空調(diào)主機(jī)的進(jìn)出水溫度是否存在比較顯著的差異。比如：一旦發(fā)現(xiàn)與正常進(jìn)出水的具體溫度狀況具有顯著溫差，就要第一時間向設(shè)備廠家核算和修正冷熱量，否則此種問題就會對整體系統(tǒng)運行效果造成嚴(yán)重影響。

3 地源熱泵技術(shù)設(shè)計

3.1 地源熱泵設(shè)計要點

暖通空調(diào)工程系統(tǒng)末端可以根據(jù)風(fēng)量進(jìn)行分類，第一類為定風(fēng)量系統(tǒng)，第二類為變風(fēng)量系統(tǒng)。其中，前者設(shè)計方案簡單，但在設(shè)備負(fù)荷水平下降的情況下需要遵循額定工況運行。受室內(nèi)負(fù)荷水平變化因素的影響，室內(nèi)空間溫度水平有一定的起伏波動，除了會導(dǎo)致建筑室內(nèi)人員體感不適以外，還會造成能源的消耗與浪費，不符合節(jié)能減排的基本原則[5]。而后者在很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)意義上定風(fēng)量系統(tǒng)在空氣調(diào)節(jié)方面的問題與不足，借助于對變風(fēng)量箱的合理應(yīng)用，實現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的，借助于此種方式來滿足室內(nèi)負(fù)荷水平需求，可以達(dá)到理想的節(jié)能減排效果。在當(dāng)前技術(shù)條件支持下，基于地源熱泵技術(shù)的暖通空調(diào)系統(tǒng)末端形式包括以下幾種類型：

（1）風(fēng)機(jī)盤管末端系統(tǒng)。基于風(fēng)機(jī)盤管的采暖制熱是地源熱泵技術(shù)實際應(yīng)用中一種常見的暖通空調(diào)末端系統(tǒng)。無論在采暖或制冷的過程中，冷熱空氣均自風(fēng)機(jī)輸送至室內(nèi)，所取得的制冷以及采暖效果是非常明顯的。

（2）風(fēng)機(jī)盤管制冷與采暖地板末端系統(tǒng)。制冷狀態(tài)下，冷空氣自建筑室內(nèi)空間上部向下部下沉；而采暖供熱狀態(tài)下，熱空氣自建筑室內(nèi)空間下部向上部上升[6-8]?；诘匕遢椛涞牟膳到y(tǒng)兼具經(jīng)濟(jì)性以及高效性的應(yīng)用優(yōu)勢，同時表現(xiàn)出了良好的舒適性，熱源利用的可選擇性眾多，在夏季高溫狀態(tài)下基于風(fēng)機(jī)盤管制冷，在冬季低溫狀態(tài)下基于地暖采暖制熱。

（3）地板供暖與冷梁制冷末端系統(tǒng)。暖通工程領(lǐng)域中冷梁體制冷系統(tǒng)所具備的裝置構(gòu)成體系健全且成熟，但基于冷梁系統(tǒng)的制冷模式會對建筑室內(nèi)空間濕度以及冷水溫度提出的較高要求。為預(yù)防結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生，需要對建筑室內(nèi)環(huán)境條件進(jìn)行嚴(yán)格限制。

以某高層建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計為例，相關(guān)計算軟件顯示該建筑結(jié)構(gòu)主體夏季冷負(fù)荷峰值水平為610kW，冬季熱負(fù)荷峰值為300kW，選用地源熱泵技術(shù)作為該暖通空調(diào)系統(tǒng)冷熱源以及生活熱水熱源?；趯υ摻ㄖ?fù)荷水平的分析，選定熱泵機(jī)組制冷量為674kW，制熱量為639kW，通過計算可知生活熱水所需熱量為352kW，另選一臺制熱量為395kW的熱泵機(jī)組，熱水進(jìn)/出口溫度為55℃/60℃，蒸發(fā)器進(jìn)/出水溫度為10℃/5℃，機(jī)組額定COP為3.3。兩套系統(tǒng)全部采用閉式循環(huán)系統(tǒng)，膨脹水箱定壓。

在地下埋管換熱系統(tǒng)方案設(shè)計的過程當(dāng)中，考慮到該建筑項目采用豎直土壤熱交換器，換熱管路埋置在豎直鉆孔內(nèi)。地埋管按建筑周邊的草坪及空地位置，布置了6個長方形回路，共計88孔雙U型地埋管。雙U型管接管方案下可以根據(jù)建筑冷熱負(fù)荷的變化來調(diào)整開啟回路的個數(shù)，有利于空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能[9]。埋管采用高密度聚乙烯材料，管徑為DN32，厚度為3mm，公稱壓力為1.6MPa。埋管間距為5m和4.5m，埋管的有效埋深為100m，管路之間采用的是同程并聯(lián)式。供水環(huán)路的集管與回水環(huán)路集管的埋深為1.2m，且兩者間距為0.6m。豎直埋管內(nèi)每間隔5m設(shè)置一個支架，利于豎直埋管的固定。水平集管采用30mm厚橡塑保溫材料保溫，且應(yīng)有不小于0.003的坡度，坡向機(jī)房處集管。

3.2 地源熱泵施工過程

一是開展鉆孔施工工作。在鉆孔之前，工作人員要對施工現(xiàn)場進(jìn)行勘測，并要結(jié)合其他專業(yè)知識與具體的施工經(jīng)驗，對施工現(xiàn)場進(jìn)行綜合研究。嚴(yán)格按照施工鉆孔平面圖的具體孔數(shù)、行距、面積等要求，保證鉆孔施工符合標(biāo)準(zhǔn)要求。二是按照施工平面圖的定位放線，依據(jù)排水與泥漿倒運工序，合理安排施工現(xiàn)場的土方、泥漿地、安全通道等位置。三是對于鉆機(jī)的鉆桿而言，一定要進(jìn)行垂直鉆孔，這樣能夠防止垂直偏差的鉆桿對已經(jīng)埋好的管道造成破壞。四是在鉆孔的兩孔之間，挖出500 mm的泥漿地，從而發(fā)揮作為鉆井機(jī)在現(xiàn)場施工中的水循環(huán)載體的作用。五是在鉆孔起勁時，安排質(zhì)檢人員核對鉆孔與施工鉆孔平面圖之間的吻合狀況，一旦發(fā)現(xiàn)存在偏差就要及時糾正調(diào)整。六是在完成鉆孔施工之后，及時檢查鉆孔的深度和質(zhì)量，并要做好各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量驗收工作。七是防止出現(xiàn)鉆孔塌方問題，如可以在鉆孔期間灌入泥漿，并要對鉆孔進(jìn)行泥漿凝固護(hù)壁。

4 暖通工程設(shè)計中的地源熱泵技術(shù)應(yīng)用策略

暖通工程施工過程中較為常見的地源熱泵技術(shù)包括地表水技術(shù)、地下水技術(shù)、地埋管技術(shù)，在這三項施工技術(shù)中應(yīng)用了較高的一種技術(shù)就是地埋管技術(shù)。為了能夠進(jìn)一步突出暖通工程設(shè)計中的地源熱泵技術(shù)科學(xué)性，將地埋管技術(shù)作為主要研究對象，細(xì)致分析其優(yōu)勢和應(yīng)用策略。再將地源熱泵技術(shù)與其他類型的采暖技術(shù)進(jìn)行比較，具有非常顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為不僅能夠促進(jìn)建筑實現(xiàn)采暖，顯著提升采暖舒適度，也能有效降低能源消耗量，甚至對于促進(jìn)建筑行業(yè)向節(jié)能方向發(fā)展也具有重要意義。

4.1 鉆孔施工

暖通工程在實際開展鉆孔施工工作時，一定要時刻關(guān)注這項工作與其他工程之間的聯(lián)系，防止在實際施工期間，對相連工程施工質(zhì)量、施工安全、施工進(jìn)度造成影響。例如：在實際開展鉆孔工作期間，建筑中的電纜工程需要工作人員投入更多的時間和精力，并要全面掌握鋪設(shè)分布的狀況。這項工作的主要目的，就是避免電纜受到破壞，防止電纜影響鉆孔施工。在正式鉆孔期間，施工面積這項因素不能忽視，其會決定鉆孔的孔數(shù)。先是精準(zhǔn)確定施工面積，在開展鉆孔定位工作時確定好每一個鉆孔的位置；同時鉆孔過程中，也要保證鉆桿處于垂直狀態(tài)，進(jìn)而防止對別的工程設(shè)備造成破壞。

4.2 預(yù)組裝施工

暖通工程在應(yīng)用地源熱泵技術(shù)過程中，需要著重關(guān)注管道材料選擇、進(jìn)場之后材料堆放等多項問題。對于管材而言，一定要妥善放置和保存，如可以在比較平整的地方成箱堆放，并且實際堆放的高度，也一定要保持在2m之內(nèi)，否則極易產(chǎn)生擠壓問題，進(jìn)而就使得管材出現(xiàn)變形問題，嚴(yán)重一些還會影響施工進(jìn)度。

以HDPE管為例進(jìn)行分析，一旦在陽光底下暴曬，就會對HDPE管的質(zhì)量和應(yīng)用效果造成影響；在實際開展遮蓋工作期間，一定要保證各項操作符合標(biāo)準(zhǔn)要求，這樣有助于提升地源熱泵預(yù)組裝質(zhì)量。在施工現(xiàn)場開展預(yù)組裝工作期間，需要關(guān)注HDPE管的具體狀況，特別是熱熔管頭的清潔問題不能忽視。如果發(fā)現(xiàn)其管徑是在De50以下，就要將旋轉(zhuǎn)切刀作為主要的切割工具；對于管徑為De50以上管材而言，就要將手工木工鋸作為主要的切割工具。在完成HDPE管地面連接工作之后，施工人員就要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求實施管道試壓，只有在保證試驗處于合格狀況之后，才能落實埋管工作。在完成回填工作之后，還要再次開展管道試壓工作，在處于合理狀態(tài)之后，可以連接水平干管。完成連接工作后再次試壓管道， 同樣是在合格之后實施回填土，直到完成總管連接工作，再實施系統(tǒng)試壓。

4.3 下管施工

在實際開展下管施工這項工作期間，要求施工人員做好自身本職工作，真正做到及時下管，如完成鉆孔工作之后，就要第一時間下管。主要就是因為鉆孔內(nèi)部的擠壓狀況，會隨著下管時間的延長，變得更加嚴(yán)重，無形中就會增加下管難度。基于此，為了能夠進(jìn)一步提升施工效果，一般狀況下都會將預(yù)制砼導(dǎo)頭下井施工方式作為主要的施工方法。比如：在完成預(yù)制導(dǎo)頭這項工作之后，落實組織試壓這項工作。通常導(dǎo)頭直徑大小在四根HDPE管和鉆孔之間，按照導(dǎo)頭以及管道的重量等多項因素，做好下井工作。除此之外，在下井過程中還要防止管道發(fā)生拖拉問題、非自然完全的狀況以及角度問題。

5 結(jié)論

暖通空調(diào)工程是當(dāng)前建筑領(lǐng)域非常核心的系統(tǒng)配件之一，加強(qiáng)對其設(shè)計工作的重視，嚴(yán)格貫徹落實節(jié)能減排工作理念，對地源熱泵技術(shù)進(jìn)行合理且高效的應(yīng)用，能夠在確保系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常的前提條件下，最大限度減輕暖通空調(diào)系統(tǒng)運行對生態(tài)環(huán)境所產(chǎn)生的不良影響，對整個建筑行業(yè)領(lǐng)域的可持續(xù)性發(fā)展是非常有利的。在對地源熱泵技術(shù)進(jìn)行研究之后，不難發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)屬于可再生能源綜合利用的范疇。結(jié)合建筑暖通空調(diào)工程施工建設(shè)要求，正確應(yīng)用地源熱泵技術(shù)，不僅能夠達(dá)到節(jié)能減排目的，也能保證實際落實的施工建設(shè)工作符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能夠創(chuàng)造更多效益。我國大部分的暖通工程現(xiàn)階段都已經(jīng)使用了地源熱泵技術(shù)，地埋管地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用效率最高，應(yīng)充分發(fā)揮其應(yīng)用作用，推動我國暖通工程長遠(yuǎn)發(fā)展。