高效节能的绿色空调技术——地源热泵

　　【摘要】：地源热泵的使用越来越广泛，尤其在上海地区。地源热泵的使用在建筑节能方面有着重要的意义。地源热泵系统可供暖、空调制冷，还可提供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统，特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物。地源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量的能量，而且用一套设备可以同时满足供热、供冷、供生活用水的要求，减少了设备的初投资。本文主要结合笔者负责的新江湾成高档居住社区项目来探讨地源热泵技术的应用及其对上海地区建筑设计中的积极影响。
　　关键词：地源热泵，节能，环保，绿色
　　引言：
　　随着我国人民生活水平的提高，人们对室内热舒适度的要求也越来越高。室内环境不再是“冷在三九，热在三伏”，而是全年维持在一个舒适的水平上。热泵由于集供热与制冷于一机的良好性能，深受人们的喜爱，成为暖通空调领域一颗炙手可热的新星，异军突起，发展十分迅速。
　　1. 地源热泵简介
　　地源热泵技术是一种利用浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能的空调技术。由于全年地温波动小，冬暖夏凉，因此地热可分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即冬季从土壤中采集热量，提高温度后供给室内采暖；夏季从土壤中采集冷量，把室内多余热量取出释放到地能中去。地源热泵主要有以下几种形式：
　　1)地下水热泵：为开放系统。该系统占地面积小，非常经济。它要求保证机组正常运行的稳定水源，温度范围在7℃～21℃，需要打井，为保持地下水位需要注意回灌，从而不破坏水资源。
　　2)河湖水源热泵：为开式或闭式系统。该系统投资小，水系统能耗低，可靠性高，且运行费用低，但盘管容易被破坏，机组效率不稳。
　　3)土壤热泵：为闭式系统。垂直埋管系统占地面积小，水系统耗电少，但钻井费用高；水平埋管安装费用低，但占地面积大，水系统耗电大。地源中央空调系统是一种从土壤资源中提取热量的高效、节能、环保、再生的供热(冷)系统。该系统集成熟的热泵技术、暖通空调技术、配套地埋管技术于一体，在相对稳定的水体温度下高效、稳定、经济的运行。地埋管内的循环水吸收土壤中的热量，地源中央空调系统是由末端系统、水源热泵系统和地埋管水源水系统三部分组成。为用户供热时，地埋管内的循环水吸收土壤中的热量，水源中央空调系统从地埋管中的循环水中提取低品位热能，通过电能驱动的水源中央空调主机(热泵)“泵”送到高温热源(即空调水系统)，以满足用户供热需求地埋管内的循环水。为用户供冷时，水源中央空调系统将用户室内的余热通过水源中央空调主机(制冷)转移到地埋管内的循环水中，通过地埋管向土壤放热，以满足用户制冷需求。地源热泵是利用了地球本体所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的冷暖空调系统。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500倍还多(地下的水体通过土壤间接的接受太阳辐射能量)，而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接收和发散的相对均衡。这使得利用储存于其中的似乎无限的太阳能或地能成为可能。所以说，地源热泵是利用可再生能源的一种有效途径。
　　
　　2.地源热泵系统的成本分析
　　就笔者所负责的新江湾住宅项目为例，早期在空调系统比选阶段，我们就传统的VRV中央空调系统与节能型的地源热泵末端毛细辐射空调系统进行了性能和成本对比：
　　 地源热泵空调 VRV中央空调
　　主机设置 主机设置位置灵活 主机只能设置在通风良好的位置
　　运行效率 冷热源的温度稳定，不受外界空气的变化影响 受外界天气条件影响大
　　控制系统 不存在结霜问题 冬季温度过低存在冲霜问题,制热性能降低
　　环境效益 绿色环保 将费热气排向室外，影响室外环境温度
　　运行费用 比风冷热泵的运行费节省至少30% Cop值较地源热泵小，运行能耗高
　　初期投资 约750元/㎡（其中地源热泵空调冷热源系统投资约350元/平方米,末端毛细系统投资约300元/平方米,生活热水系统50元/平方米,设计50元/平方米） 约500元/㎡（含机组及末端风机盘管系统、含设计）
　　虽然一次性投资高昂，但是使用成本相对便宜，维护成本低。系统整体保温性强，增强能源使用效率,减少传统能源使用。在”恒温恒湿”环境中各种设备,家具等使用寿命延长。
　　
　　3.建筑设计中的地源热泵技术
　　（1）建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算
　　建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，可参考有关空调系统设计手册，在此不再赘述。
　　冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。可以由下述公式[2]计算：
　　kW（1）
　　kW（2）
　　其中Q1＇——夏季向土壤排放的热量，kW
　　Q1——夏季设计总冷负荷，kW
　　Q2＇——冬季从土壤吸收的热量，kW
　　Q2——冬季设计总热负荷，kW
　　COP1——设计工况下水源热泵机组的制冷系数
　　COP2——设计工况下水源热泵机组的供热系数
　　一般地，水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数，计算时应从样本中选用设计工况下的COP1、COP2。若样本中无所需的设计工况，可以采用插值法计算。
　　（2）地下热交换器设计
　　这部分是土壤源热泵系统设计的核心内容，主要包括地下热交换器形式及管材选择，管径、管长及竖井数目、间距确定，管道阻力计算及水泵选型等。（在下文将具体叙述）
　　（3）其它
　　地下热交换器设计
　　2.1选择热交换器形式
　　2.1.1水平（卧式）或垂直（立式）
　　在现场勘测结果的基础上，考虑现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用，确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式。尽管水平布置通常是浅层埋管，可采用人工挖掘，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多[4]，并且往往受可利用土地面积的限制，所以在实际工程中，一般采用垂直埋管布置方式。
　　根据埋管方式不同，垂直埋管大致有3种形式：（1）U型管（2）套管型（3）单管型。套管型的内、外管中流体热交换时存在热损失。单管型的使用范围受水文地质条件的限制。U型管应用最多，管径一般在50mm以下，埋管越深，换热性能越好，资料表明：最深的U型管埋深已达180m。U型管的典型环路有3种，其中使用最普遍的是每个竖井中布置单U型管。
　　2.1.2串联或并联
　　地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种，串联系统管径较大，管道费用较高，并且长度压降特性限制了系统能力。并联系统管径较小，管道费用较低，且常常布置成同程式，当每个并联环路之间流量平衡时，其换热量相同，其压降特性有利于提高系统能力。因此，实际工程一般都采用并联同程式。结合上文，即常采用单U型管并联同程的热交换器形式。
　　2.2选择管材
　　一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足，且需要埋入地下的管道的数量较多，应该优先考虑使用价格较低的管材。所以，土壤源热泵系统中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上；而PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。
　　下图中，作者所负责的上海新江湾4#地块地源井施工现场，采用的是PE管材的单管型垂直埋管布置，并联同程）
　　
　　3.地源热泵在上海新江湾地区运用取得的收益
　　面对严峻的能源形势，地源热泵技术在长三角尤其是上海地区的推广应用具有极大的现实意义。地源热泵比风冷热泵节能40％，比电采暖节能70％，比燃气炉效率提高48％，所需制冷剂比—般热泵空调减少50％。地源热泵的能量来源于自然能源，它不向外界排放任何废气、废水、废渣，是一种理想的绿色空调”。笔者所负责的上海新江湾城4#（江湾、6#、20#项目均采用了这个技术，并但是由于在上海“夏天向地下取冷多，冬天向地下取冷较少”的现实，在系统运行多年后，有可能产生地源热泵系统效能降低的问题。建议除在系统设计和施工过程中严格把关外，需要做好长期后期维护的预案工作。上海目前应用地源热泵系统的公寓住宅项目“中鹰黑森林”、“一品漫城”等项目居民入住还需要一段时间，相关法律纠纷还未来得及产生。但上海公建和商业项目有运行多年的地源热泵系统，曾经出现过运行多年后，效能逐渐降低，乃至最后放弃使用该系统的案例，值得我们警醒，应组织法律、物业、设计、工程、营销等部门共同研究该课题，防患于未然。
　　4、结语
　　地源热泵技术为我们带来了巨大的契机，它能够减少能量消耗，降低环境污染，同时能保证业主空调系统的可靠性和经济性。根据建设部关于发展节能省地型住宅和公共建筑的指导意见（建科[2005]78号）的要求，发展节能省地型住宅和公共建筑，要研究思考节能省地型住宅和公共建筑的深刻内涵及其之间的辨证关系，认真解决当前的突出矛盾和问题；既要考虑单体建筑，又要考虑城市或区域的统筹规划和总体布局；既要考虑新建建筑的“四节”，又要研究不同历史时期不同性质的既有建筑的节能节水问题，注重降低建筑建造和使用过程中总的能源资源消耗。由于地源热泵技术独特的优势，必将引起广大用户、科技人员以及政府部门的高度关注。综合以上的分析，我们认为地源热泵技术在中国有广阔的市场前景。
　　参考文献
　　[1]李新国.地源热泵—供暖空调节能环保技术.节能与环保[J].2001，(2).45-46
　　[2]梁晓华.地源热泵空调的应用设计.企业导报•上半月[J].2010，（8）.34-36