探究地源热泵节能环保技术在暖通空调系统中的应用

文/上海容承企业管理有限公司（世茂房地产） 胡海龙

目前我国城镇民用建筑（非工业建筑）运行耗电为我国总发电量的22%～24%，近年来天然气供应紧张，我国目前天然气缺口量达113亿m3[1]。这些数值不仅是建筑运行所消耗的能源，也包括居民的供热供暖消耗。这些缺口造成我国能源供应的巨大压力，在暖通空调系统中应用节能环保技术将有助于节约能源，缓解能源压力[2]。以地源热泵中央空调在上海某小区暖通工程应用为例，阐述其性能特点及节能优势。

1 工程概况

1.1 工程介绍

该项目为上海市奉贤区某居住小区，占地90亩，总建筑面积12.3万m2。该小区始建于2016年3月，于2017年12月完工。该小区的建筑为现浇钢筋混凝土框架结构，灌注桩基础，按8度抗震设防。小区位于上海市奉贤区中心区域，周边同样为居住区，该小区目前入住率较高，各项基础设施健全，周围商圈较多，居民就近购物、娱乐、就医、学习等非常便捷。建筑楼层之间分布均匀，房间采光良好，大部分房间坐北朝南，空气流动畅通。

项目所处区域气候为亚热带海洋性季风气候，主要气候特征是：四季分明，春天温暖，夏季炎热，秋季凉爽，冬季寒冷。平均全年降雨量适中，每个季节均有雨水。综合说明该小区所处气候温暖湿润，四季分明。经研究数据分析，小区所在区域内气候温度最高的为7～8月，超过35℃的高温天数20天左右，夏季非常炎热；冬季1月下旬到2月初温度最低，0℃的寒冷天气虽然不多，但偶尔出现（一般持续3天），月平均最高气温为31.8℃，月平均最低气温为0.3℃。

1.2 系统总冷热负荷计算

按照最新颁布的上海市暖通节能空调标准，经多方验证分析计算，在充分考虑外界因素对本工程的干扰下，工程总体夏季冷功率为60W/m2，冬季热功率50W/m2；住宅夏季总冷功率：60W/m2×94400m2=5664kW，按照夏季室内热环境设计标准和设定的计算条件，计算出的单位建筑面积空调设备年所要消耗的电能。住宅冬季总热功率：50W/m2×94400m2=4720kW，按照冬季室内热环境设计标准和设定的计算条件，计算出的单位建筑面积采暖设备年所要消耗的电能。根据设计要求的利用率进行统一整体考虑，最终以80%计算，该工程夏季及冬季的总冷功率分别为：4531.2，3776.0kW。

1.3 热水用量分析

整个小区共658户，所有居民每天最大使用热水总量为92t，平均每户居民使用热水量为139.8L/d。热水用量的高峰期为20:00-23:00，早间用水高峰期为06:00-08:00。但由于每天每季度用水不固定，平均用水量仅为参考。

1.4 小区空调主机挑选

根据小区居住实际情况总制冷量4531.2kW及总制热量3776.0kW计算，项目拟设置2个空调主机房。主机选用广东某空调机械设备公司生产组装的6台大型螺杆式土壤源热泵机组SM（D）-160LR，可满足工程项目既制冷又制热的功能需求。

螺杆式风冷热泵机组具有制冷量大、占地面积少的优点。螺杆式土壤源热泵机依靠压缩机内的滑阀进行能量调节，虽然初次投资稍大，但后期运行和维护费用低。在本小区空调主机的选择过程中，选择4台螺杆风冷热泵机组一备三用。但螺杆式土壤源热泵机组存在冬季化霜效果差等问题，而且随外界环境温度的大幅下降，冷热泵组的制热、制冷能力也大幅下降。但从后期运营稳定性及未来的运行维护费用看，螺杆式风冷热泵机组明显优于模块式风冷热泵机组。

1.5 地埋管系统设计

根据项目实地情况和现场条件因素，本工程拟采用竖直双U埋管形式进行安装。整个安装过程确保遵循设计要求，按间距4.5m钻孔，每个孔深120m，孔径160mm，每个井占地面积25m2。施工过程中由施工单位做好管线调查工作，并联系原管线单位，避免施工管线与其他管线产生干扰。分水管与集水管分开布置，确保夏天每米井深释放能量60W，冬天每米井深吸收能量50W。埋管总长度72498.14m，施工时间选定为春末夏初，为保证管道吸收热量不产生结冰的危害，管道中加入25%乙二醇试剂进行温度平衡调控。设计采用地埋管系统如图1所示。

地上管道采用中粗砂敷设，敷设前中粗砂必须经过筛分，以满足工程使用要求。同时确保中粗砂内不含坚硬杂物，以防刺破管道。管腋部回填中粗砂，同时做好管道层保护措施。在管道顶部50cm范围内禁止使用机械施工，只能人工夯实。

根据工程现场实际情况和探测分析结果设置钻孔的回填物料及热物性，钻孔形成后采用混合物灌浆回填，浆液含量为：10%水泥、15%膨润土和75%细砂（粒径满足要求），在实际施工过程中必须要求浆液导热系数大于所钻孔岩土体的导热系数。

2 地源热泵系统

2.1 概念

浅层地热能作为新型清洁能源，是位于地球表面层的一种新能源[3]。与深层地热相比，浅层地热能具有开采简便、存储量大、清洁、便于收集管理等优点。施工过程中通常采用水源热泵、地源热泵、地表水源热泵等方式进行综合利用。使用浅层地源热泵可以为小区提供52%～64%的能源供应，可以节约螺杆式风冷热泵机组30%～40%的运行成本和相关费用。

图1 地埋管系统

2.2 特点

2.2.1 可再生能源

地源热泵是将冷热源与建筑物内的能量进行转换的供暖空调系统。这种能源通常位于地球表面浅层，其温度低于建筑室内温度，主要可用于室内降温。这种储存于地表浅层的地位热能属于可再生洁净能源，这也是目前大力开发的洁净再生能源之一[4]。当前国家大力发展清洁、可再生能源，地表热已成为推进能源科技创新的新选择。

2.2.2 用途广泛

地源热泵系统不仅可供暖、供热，同时也可用于小区内供水，系统功率大，可供绝大多数居民使用，尤其适合对环境要求较高的高端小区。地源热泵的能源同样可以用于学校、医院、写字楼、商场等大型建筑的供能，这种能源的使用不会产生污染性气体，不会产生次生污染。

2.2.3 管理维修

与传统空调相比，地源热泵在相同使用环境下，整个居住区均可降低维护费用，仅前期投入比例较大。地源热泵系统及其配件主要位于地下，受外界干扰较小，破坏损毁机率较低。传统暖通空调安置于室外，受外界环境影响需定期维护保养。综合计算，地源热泵系统维护费较低且使用寿命长，达30年以上，同时，其自动控制程度高，无需安排专人维护。

2.3 地埋管式热泵系统

2.3.4 热井式土壤换热器

目前采用另外一种埋管方式为热井式土壤换热器，如图5所示，特点为简便、安全、可靠。

通过计算机模拟结果显示，在非稳态连续换热过程结束后，4种换热器周围土壤温度不同。双U形地埋管换热器管壁土壤温度最高，套管换热器管壁土壤温度最低，单U形地埋管换热器管壁土壤温度处于两者之间。由此可以定性比较3种地埋管换热器换热量的大小，最终在该小区采用了热井式土壤热换器埋管，便于更有效利用地下能源。岩土特征因地理分布不同而存在差异，岩土特性决定

图2 水平式土壤换热器埋管

图3 U型式土壤换热器埋管

图4 垂直套管式土壤换热器埋管

图5 热井式土壤换热器埋管

2.3.1 水平式土壤换热器

水平式土壤换热器作为常用热源地泵之一，其水平地埋管埋设深度及间距均需按设计要求进行，水平式土壤换热器布置包括回灌井、回水管、设备间等[5]（见图2）。

水平地埋管方式主要用于单相运行状态的空调系统中，水平式埋管深度一般在2～4m，土壤在冬季较长时间内处于放热状态，埋管的沟渠深度要适宜，管与管之间的间距要合理。

2.3.2 垂直U型式土壤换热器

目前常用的为U型式换热器，其主要原理与水平布置相似。但安装埋管的土壤换热器布置流程与步骤存在差异。垂直式是先进行钻孔，后将U形管深埋于地下，优势明显（见图3）。

2.3.3 垂直套管式土壤换热器

垂直套管式与U型式类似，同样为垂直布置向下。但这种换热器内套管及外套管形成闭路循环系统，地下水流可通过套管循环，管道分为出水管和入水管。整个系统分地上和地下部分，地下部分具有介质溶液，地上部分主要为护套、内管、出水管及过滤器等（见图4）。土壤的热物理性，地热换热器的传热性受岩土特征影响更为关键[6]。由于地区差异，设计和安装地热换热器过程中将出现不稳定因素，进而影响整个小区地源热泵空调系统运行使用。不同的地质结构层、岩土底层中设置竖直埋管地热换热器可能会影响传热性能，地层不同导致地埋管和地热泵的使用受到影响[7]。安装设计过程中必须对地层地勘结果进行认真分析，了解该地区影响换热器使用的因素。在该项目地源热泵系统安装过程中也采用多种仪器进行土质及地下情况测定，最终结果如表1所示。

表1 不同参数岩土热物性单位井深换热量

3 其他节能管理措施

空调系统的使用方式不同决定能耗高低，地源热泵空调后期的运行管理方式不同，决定了空调系统的实际运行费用高低。避免能源损耗，有利于削减不必要的开支。

小区建筑采用墙体保温技术，外墙采用新型阻热玻璃，避免能源损失。建议小区内使用节能设备，室内使用节能电器，照明尽量使用LED灯等。中央空调主机尽量选用能效较高的制冷设备，使用节能水泵，中央空调系统与楼宇自控系统相结合，远程开关、设定使用。人为设定合理空调温度，使用空调期间避免开窗透气等。

根据小区内供暖要求分析，结合上海市工程标准中关于建筑形式、控制标准和外围护结构特征、周边气候条件等要求，制定出切实可行的空调节能运行管理措施。经济节能运行措施应包括以下方面。

1）确保设备在整个使用过程中保持良好运转状态，保证功率满足要求。

2）结合气候环境变化，根据天气、室内负荷、建筑外围护结构等情况选定合适的开停机时间，远程实时控制或通过计算机系统实时操控。

3）收集、调查室内能量负荷、温度变化及户外气候突变等情况，根据用户需求进行调整。

4）定时检查维修，保障空调自控系统良好的工作状态。

5）做好污水洁净防护，防止严重腐蚀、水体污染物生成及病毒、细菌滋生。

4 结语

地源热泵系统不仅可以制热、制冷，还可为相应的小区或建筑物提供生活热水，一机多用。只需要使用1套系统就可以替换原来的锅炉加空调的2套装置或系统。尤其是对于学校、医院等同时有供热和供冷要求的建筑物，地源热泵具有较明显的优势，能节省大量能源，符合我国建筑节能发展趋势。地源热泵目前已广泛应用于宾馆、居住小区、公寓、厂房、商场、办公楼、学校等建筑，小型的地源热泵更适合别墅住宅的采暖、制冷。

地源热泵空调系统具有高效、节能、环保、绿色等优点。随着科技进步，地源热泵空调系统将逐渐产业化。该项目集中空调系统采用地源热泵，最终运行测算得出工程总造价1675.62万元，后期每年节省能源开支118万元。地下热源不会对周边环境产生污染，能源使用具有可靠性保障，值得大力推广。