谈暖通空调节能问题与地源热泵的实际应用

黄长晖

(石家庄世纪正晖冷气机电有限公司，河北石家庄 050000)

最近恶劣天气频发、气候变暖、冰川融化给人类生存生活造成不小的损失。二氧化碳是造成气候变暖以及气候异常的主要来源。长期以来电力需求十分紧张，暖通空调技术创新势在必行，节能建筑成为建筑发展的必要趋势。因此，在空调设计中应注意绿色能源和可再生能源的使用;空调系统方案节能，充分回收能量，并尽可能利用天然能源。

暖通空调系统的能耗主要体现出三个主要特征:1)降低能量使用效率的原因是系统的设计及运行管理不合格等因素的影响;2)季节性的变化是由于室内空气环境冷热能量品位较低的成果;同时，太阳能等能量是我们可以考虑的有效能量;3)暖通空调系统是以交换的形式处理冷暖量而有效的利用能源，我们采用冷热量回收的措施在循环上有所改变，从而做到节能。

设计方案的选定对于项目节能效果是否突出起着决定性作用。地源热泵形式中央空调近几十年来发展形势迅速但国内尚处在初步阶段，以下结合我在工作中的实际案例做详细分析。

1 工程概况

1.1 项目简介

本工程名称为:金厦新城北区一期工程，总建筑面积80000 m2，地下100 m内以沙土为主，钻孔费用较低，适合使用地源热泵系统。

1.2 项目规划

以甲方的方案为基础，以适用、经济、安全为原则，采暖及热水设计均符合现行国家规范和地方相关条例的要求，并采用新技术、新材料、新设备，做到技术先进，经济合理，充分展示“以人为本”的现代设计理念，体现“人性化”设计，创造环境优美，功能完善的人性化社区，最终实现经济效益和社会效益、环境效益的统一。

2 示范目标及主要内容

2.1 主要内容

金厦新城通过以地源热泵系统为热源向用户提供高效、节能、环保的采暖方式，为建设节能环保型建筑打好基础。

2.2 目标

1)地下换热部分初投资控制在58.89元/m2。2)对地下水“三不”的目标示范:本工程采用垂直埋管的土壤源热泵，“不依赖”“不污染”“不消耗”地下水。3)“零污染”的目标示范:本系统不耗燃油、燃煤和燃气，只耗少量电。装机功率仅17 W/m2。4)提前实现65%建筑节能的示范目标:本工程做了外墙保温，整体建筑完全可以达到65%的节能目标，在河北省建筑节能方面具有带头作用。

3 工程示范技术方案

3.1 冷热负荷估算

地下土壤热物性取热量按38 W计算。

3.2 气象数据计算

所在城市为邢台市任县，任县地处东部季风型、南湿带气候带亚温润区，气候温和，四季分明，雨量集中，雨热同期。全年平均气温13℃，寒暑变化显著，全年平均降水量为498.2 mm。年平均日照总时数为2567.5 h，年平均无霜期197 d。

采暖天数:120 d。

3.3 热负荷估算

本工程为住宅项目，结合建筑设计功能要求，根据同类建筑设计经验、实际使用特点和运行经验，采用地源热泵、水源热泵相结合的方式。

钻孔数量=50 W×80000 m2/38 W/100 m=526个，深度暂定100 m。

水井，3出6回，要求出水量70 t/h。

3.4 供热系统方案比较

方案一:冬季采用以城市集中供热为热源的室内散热器采暖;

方案二:以土壤源热泵为冷、热源，末端采用地板辐射系统(推荐方案)。

地源热泵利用的是浅层地热能，浅层土壤温度常年保持恒定，热泵的热效率高，属于绿色的可再生能源利用。

在建筑围护结构节能前提下，采用地板辐射水系统，利用地源热泵机组与垂直埋管的土壤换热系统及地板辐射系统相耦合。冬季利用地源热泵提取浅层地热能供暖，以达到给建筑供热的目的(见图1)。

图1 地源热泵采暖、生活热水系统工作原理示意图

地源热泵系统具有很高的能效比，该系统供热的一次能源效率可达到1.3，而家用分体空调为0.77。分体空调单位建筑面积的装机功率为40 W～50 W。

地源热泵主要有三种系统形式:土壤热交换器地源热泵系统;地下水地源热泵系统;地表水地源热泵系统。

1)土壤热交换器地源热泵:

该系统包括一个土壤耦合地热交换器，它或是水平地安装在地沟中，或是以U形管状垂直安装在竖井当中，不同的管沟或竖井中的热交换器并联连接，再通过不同的集管进入建筑中与建筑物内的水环路相连接。工作原理见图2。

a.地下土壤换热系统的类型:地下土壤换热系统主要有两种形式，即垂直埋管和水平埋管，水平埋管通常是浅层埋管，换热能力要比垂直埋管小的多，往往还受到可利用土地面积的限制。在实际运用中，垂直埋管多于水平埋管，垂直埋管见图3。

图2 土壤热交换器地源热泵工作原理示意图

图3 竖直埋管换热器基本单元示意图

b.地下换热器的管材:埋入地下的管材首先要保证化学性质稳定、耐腐蚀。通常使用的换热能力较好的金属管材在这方面存在严重不足，而土壤腐蚀性会比空气更严重。另一方面，由于埋入地下的管材较多，应优先使用造价低的管材。目前使用较普遍的是复合塑料管，如PEX，高密度PE，PB，PP-R等。综合各项指标，高密度PE管是最适合的。

2)地下水地源热泵系统:地下水地源热泵系统是将地下水直接供应到每台热泵机组，之后将井水回灌地下，由于可能会导致管路阻塞，或管路腐蚀的发生，故通常不建议采用这种系统，有时可根据项目具体情况采取水源辅助的形式。

3)地表水地源热泵系统:地表水地源热泵系统(由潜在水面以下、多重并联的塑料管组成的地下水热交换器取代土壤热交换器)，与土壤热交换地源热泵一样被连接到建筑物中，在北方地区需要进行防冻处理。

3.5 金厦新城地源热泵方案

根据地质资料，地下100 m以内地质条件较好，钻孔费用较低。具备使用地源热泵的条件。

根据建筑平面图及地质条件，结合近年来的实践经验与科学研究，地埋管换热管网采用深度100 m，孔间距4 m，孔径0.22 m，钻孔数量900个。管材为PE聚乙烯管，回填采用自制泥灰砂浆回灌技术，埋管布置在绿地及小区道路下部1.5 m深，垂直埋管的连接采用管束同程式系统。按小区规划图，小区内楼间距的可使用面积足以满足钻孔的占地需求。

3.6 以地源热泵为热源的地板辐射系统

地能地板冷暖空调系统由外墙外保温系统、地源热泵系统、地板辐射系统、热水系统等构成。

综上所述，地源热泵系统中央空调在实现空调系统节能问题上走在了行业的前列，并值得政府及行业大力推广。