地源热泵在河南农村建筑中的应用

肖洪涛， 高贺香

河南黄淮学院（463000）

0 引言

随着国民经济的快速发展,大部分城市郊区的农村逐渐发展成为“都市村庄”，大大减小了城乡差距，农村居民空调的拥有量呈直线上升,农村建筑环保节能已成为当今人们共同关注的热点问题，建筑节能刻不容缓。地源热泵是一种利用地球浅层资源(包括土壤、地下水、地表水)的既可供暖又可制冷的高效节能的空调系统。它利用铺设在土壤、地表水中的换热管道，实现空调房间与土壤、地表水等的换热，以达到建筑空调的效果。地埋管换热系统在建设工程热泵系统中占有很大的比例,其成功的关键在于根据特定的地质条件进行合理的埋管设计和施工。在实际工作中，要综合考虑工作区的气象、土壤介质的岩性和水文地质参数等，才能够对系统进行优化设计,以合理的费用保障系统安全稳定运行。本文通过驻马店市城市郊区某村庄用能为例,介绍了地温能在广大农村的发展前景及潜力。

1 河南驻马店地区农村用能现状

随着我国经济的迅速发展，农民生活质量的提高,农村工业化、城镇化，城镇化率达到30%左右，各种电器下乡,农村用能越来越多,电能消耗量迅猛增长,因而节能设计在农村建筑中迫在眉睫。针对农村住宅院落大，房间宽敞，层高大，门窗洞口大的特点，节能主要从农村取暖及制冷方面入手。

2 本地区水文地质条件

1）浅层地下水类型为潜水，赋存于土体孔隙、裂缝中，主要接受大气降水补给,地下水的排泄主要是蒸发排泄，同时也存在季节性开采排泄。地下水的迳流速度较为缓慢。地下水位受季节和气候的影响，地下水位埋深约1.5 m，年最高水位为1.0 m。

2）该区场地抗震设防烈度为6度，第四系覆盖层厚度在80～100 m,为第四系中更新统老粘性土,冻土深度小于0.6 m、地势平坦、土层分布均匀、干强度中等、韧性中等、饱和、可塑、土层结构导热能力较强、结构松散的沉积物孔隙率较大，其中的地下水增大了热容量，而且通过研究，水的导通提高热源扩散速度,流动的地下水可以降低热污染的风险，有利于系统的安全运行。在岩石中埋管要比土壤介质中困难的多，费用也大大提高。

3 地源热泵技术在建筑中的应用

1）原理:由于大地作为太阳能的蓄热体，是一个理想的热源，地表浅层5 m以下、400 m以上的范围内，一年四季的温度基本是恒定的。本方案采用垂直埋管式换热装置，利用存在于地表浅层的地热能。在冬季，地源热泵系统通过埋在地下的封闭管路(称为环路)从大地收集自然界的热量，而后由环路中的循环水把热量带到室内,通过与室内的热量交换，提高室温；在夏季，此运行程序则相反，地源热泵系统将从室内抽出的多余热量排入环路而为大地所吸收,使房屋得到供冷。犹如电冰箱那样，从冰箱内部抽出热量并将它排出箱外使箱内保持低温。本项目区别于常规地源热泵系统的方面，主要是一个多种可再生能源的复合系统。冬季地源热泵和太阳能联合供暖,夏季是地源热泵和自然蓄冷的联合供冷，同时还有地源热泵夜间蓄冷水,而生活热水由地源热泵和太阳能联合提供。项目中采用了温湿度独立控制技术。制冷、供热季节系统末端采用辐射地板+溶液式全热回收新风机组。溶液式全热回收新风机组负责湿度控制。地板辐射负责室内的温度控制。

2）埋管方式:为了减少工程造价，该村庄采用每户在院内打深井,土壤热交换器地下埋管通常是150 mm直径的PE管,埋管深度约90米，采用垂直和水平埋管。垂直室外埋管采用钻孔垂直直埋管，钻孔间距为5 m×5 m，室内垂直管采用墙埋管。水平埋管主要从混凝土垫层内穿越到室内，楼层采用混凝土天棚辐射制冷制热系统。敷设于楼板混凝土中的管道，应根据水流温度范围、工作压力、50年使用寿命、投资费用、工程质量、技术要求等因素选择。本工程中采用了D20×2.0 聚丁烯(PB)管。 PB 管具有以下优点:耐压、耐磨性能佳；接头具有极高的可靠性，其连接强度高于管壁；PB管对应力裂纹具有很大的抵抗能力；由于管壁厚度小节省材料，加之在相同管外径条件下具有断面积大、单位长度水头损失小的水力工况，使PB管道有着比其它塑料管道更加节能的优点。实际施工中将PB管埋设于200 mm厚楼板现浇层的下层钢筋之上、水电管线及上层钢筋之中，通过辐射方式进行热交换。

4 使用效果

本工程地源热泵系统自投入使用，经历了一段时间，期间效果良好。冬季运行时,COP约为4.2,即投入1 kW电能，可得到 4 kW 的热能,夏季运行时,COP可达 5.3,投入 1 kW电能，可得到5 kW的冷量。其能源利用效率为电采暖方式的3～4倍，并且热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的用电能耗。比常规空气源空调节能50%左右。

地源热泵系统与风冷热泵系统经济性比较,地源热泵机组采用标准构件，需要时各部件的修配和更换很方便。因为设计简单，并不需要高技术的操作工程人员的服务，适合农村使用。

5 结束语

地埋管设计的优劣是影响地源热泵工程质量的关键，在实践中，无论是水平埋管还是垂直埋管，都应当对当地水文地质要素以足够的重视。在工程实践中应综合地考虑地区气象、地质、水文地质因素，结合实际施工条件，设计最优的井数、井距和井深，选择合理的钻井工艺和回填材料，以最少的投资费用使系统发挥最大的经济和环境效益。

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