地源热泵技术在建筑工程中的运用

地源热泵技术在建筑工程中的运用0引言现今在我国，建筑能耗占全社会总能耗的27%左右，其中建筑物供热空调的能耗占整个建筑能耗的60%左右。因此，降低供热空调系统的能耗，寻求既节能又环保的供热空调方式成为当务之急。近年来，我国各级政府及建设主管部门高度重视建筑节能新技术的应用和发展，相继出台了若干政策和规划方案，支持可再生能源技术在建筑中的推广应用。在此背景下，供热空调新技术如雨后春笋般飞速发展。在众多供热空调新技术中，地源热泵系统的发展最为迅速。地源热泵系统与常规的供热空调系统相比大约节能30%—50%，是一种利用可再生能源的高效节能、无污染既可供暖又可制冷的新型空调系统。20世纪90年代以来，地源热泵技术在我国得到了广泛应用。但是由于地源热泵技术水平较高，涉及多个专业，一些问题值得我们在推广应用中注意。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°C〜21°C.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。地源热泵在我国部分城市运用取得的收益2．1地源热泵中央空调系统的节能效果地源热泵中央空调系统是目前国际上最先进的中央空调系统，它的制热量/静J冷量和所消耗的电功率之间的比值全年平均高于4.0以上，即输入lkW的电能，就能够得到4kW以上的热量。制热能耗量较其他采暖方式减少50%〜70%；制冷能耗量较其他制冷方式减少40%〜60%。地源热泵系统会节省大量的运行费用和维护费用。地源热泵采取小温差、大流量工作模式，在房间内不会感觉到任何风吹感，加上自带的新风模式，整个系统提供了回归大自然般的宜人环境。地源热泵系统工作起来非常安静，它将会提供一个宜人的室内、外环境。2．2地源热泵系统是如何实现环保的1） 地源热泵系统不直接消耗煤或燃油、天然气等，没有任何直排物j2） 地源热泵将室内的热量转移到地下土壤中存放。从源头上根除了空调系统对城市热岛的贡献；3） 高效的地源热泵系统采用非常严格的控制系统，实现了能量输出和建筑物能量需求的直接对应，减少了剩余能量的损耗；4） 高效的地源热泵系统，输出同等量的有用能量，仅仅消耗30%--60%的电功率。高效的一次能源利用率，是地源热泵系统环保效果的最直接原因。2．3地源热泵系统的经济性1）高效的输出功率和输入功率比值。同样的建筑，将会节省一大笔额外的运行费用；2）“傻瓜操作模式”的运行管理，会节省一大笔管理费用和维护费用。两笔费用的节省，在很短的时间内就会将初投资全部收回，地源热泵系统无废气排放就可让房屋冬暖夏凉。如：湖北某地产发展有限公司在武汉投资开发的住宅小区，前期策划筹备时，将其定位于中高档住宅，面向中高收入人群，考虑到武汉夏热冬冷地区的特性，将住宅中央空调考虑k~-2-从节省初资，降低运行费用，结合武汉的经济条件和地产市场价格因素考虑，选择了地源热泵中央空调系统。该楼盘自开盘以来，地源热泵中央空调系统成了最大的卖点，甚至出现了空调系统宣传册比售楼册还受欢迎的局面，售楼的均价从开盘时的2800兀耐上升至3600 /m2，为该公司带来了极大的经济效益，从用户来讲，采用这种空调方式，能够在花费很少的空调费用的同时也享受中央空调的舒适性（该小区空调收费标准为空调使用时间平均0.1元/（n12.d）），所以应该说这是一个双赢的方案选择。分类与运用热泵分类热泵是需要冷凝器的热量，蒸发器则从环境中取热，此时从环境取热的对象称为热源；相反制冷是需要蒸发器的冷量，冷凝器则向环境排热，此时向环境排热的对象称为冷源。蒸发器冷凝器根据循环工质与环境换热介质的不同，主要分为空气换热和水换热两种形式。这样热泵或制冷机根据与环境换热介质的不同，可分为水—水式，水—空气式，空气—水式，和空气—空气式共四类。利用空气作冷热源的热泵，称之为空气源热泵。空气源热泵有着悠久的历史，而且其安装和使用都很方便，应用较广泛。但由于地区空气温度的差别，在我国典型应用范围是长江以南地区。在华北地区，冬季平均气温低于零摄氏度，空气源热泵不仅运行条件恶劣，稳定性差，而且因为存在结霜问题，效率低下。利用水作冷热源的热泵，称之为水源热泵。水是一种优良的热源，其热容量大，传热性能好，一般水源热泵的制冷供热效率或能力高于空气源热泵，但由于受水源的限制，水源热泵的应用远不及空气源热泵。3.2地源热泵工作原理及分类地源热泵则是利用水源热泵的一种形式，它是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为“冷源”。地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中水源热泵机主要有两种形式：水—水式或水—空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地能之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。地源热泵同空气源热泵相比，有许多优点：（1）全年温度波动小。冬季温度比空气温度高，夏季比空气温度低，因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空气源热泵，一般可高于40%，因此可节能和节省费用40%左右。（2）冬季运行不需要除霜，减少了结霜和除霜的损失。（3）地源有较好的蓄能作用。土壤源热泵土壤源热泵以大地作为热源和热汇，热泵的换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。土壤源热泵系统主机通常采用水—水或热泵机组或水—气热泵机组。根据地下热交换器的布置形式，主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三类。垂直埋管换热器通常采用的是U型方式，按其埋管深度可分为浅层（〈30m）,中层（30〜100m）和深层（〉100m）三种。埋管深，地下岩土温度比较稳定，钻孔占地面积较少，但相应会带来钻孔、钻孔设备的经费和高承压埋管的造价提高。总的来说，垂直埋管换热器热泵系统优势在于：（1）占地面积小；（2）土壤的温度和热特性变化小；（3）需要的管材最少，泵耗能低；（4）能效比很高。而劣势主要在于：由于相应的施工设备和施工人员的缺乏，造价偏高。水平埋管换热器有单管和多管两种形式。其中单管水平换热器占地面积最大，虽然多管水平埋管换热器占地面积有所减少，但管长应相应增加来补偿相邻管间的热干扰。水平埋管换热器热泵系统由于施工设备广泛使用而且施工人员易找，又加上许多家庭有足够大的施工场地，因此造价就可以减下来。除需要较大场地外，水平埋管换热器系统的劣势还在于：运行性能上不稳定（由于浅层大地的温度和热特性随着季节、降雨以及埋深而变化）；泵耗能较高；系统效率降低。蛇行埋管换热器比较适用于场地有限又较经济的情况下。虽然挖掘量只有单管水平埋管换热器20%〜30%,但是用管量会明显增加。这种方式优缺点类似于水平埋管换热器，所以有的文献将其归入水平埋管换热器。下耦合热泵，闭环水源热泵标准名称ARI分类制冷与供热制冷供热制冷时的分布整体式系统HSP-GSHOSP-GSHOSP-GS风扇蒸发器压缩机冷凝器分体式系统HRCU-GS-CBHORCU-GS-CBHORCU-GS-CB风扇蒸发器压缩机冷凝器分体式系统室内无风扇HRCU-GS-CHORCU-GS-CHORCU-GS-C蒸发器压缩机冷凝器标准等级工况a.制冷（不宜用于仅供热的机组）：室内单元空气温度： 干球温度26.7°C，湿球温度19.4 °C环境空气温度： 干球温度26.7C换热器进口流体温度： 21.1C流体流量： 由制造商确定（该流量应用于所有测试工况）b.供热（不宜用于仅制冷的机组）室内单元机组空气温度： 干球温度21.1C，湿球温度 15.6 C （最大值）环境空气温度： 干球温度21.1C换热器进口流体温度： 0C流体流量： 由标准等级制冷工况测试确定地下水热泵系统在土壤源热泵得到发展以前，欧美国家最常用的地源热泵系统是地下水热泵系统。目前在民用中已经很少使用，主要应用在商业建筑中。最常用的系统形式是采用水—水式板式换热器，一侧走地下水，一侧走热泵机组冷却水。早期的地下水系统采用的是单井系统，即将地下水经过板式换热器后直接排放。这样做，一则浪费地下水资源，二则容易造成地层塌陷，引起地质灾害。于是产生了双井系统，一个井抽水，一个井回灌。地下水热泵系统的优势是造价要比土壤源热泵系统低，另外水井很紧凑，不占什么场地，技术也相对比较成熟，水井承包商也容易找。其劣势就在于：1.有些地方法规禁止抽取或回灌地下水；2.可供的地下水有限；3.如水质不好或打井不合格要注意水处理；4.如泵选择过大、控制不良或水井与建筑偏远，泵耗能就会过大。地表水热泵系统地表水热泵系统主要有开路和闭路系统。在寒冷地区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。总的来说，地表水热泵系统具有相对造价低廉、泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。但是，在公共用的河中，管道或水中的其他设备容易受到损害。另外，如果湖泊过小或过浅，湖泊的温度会随着室外气候发生较大的变化，这就会产生效率降低，制冷或供热能力降低的后果。地下水源热泵标准名称ARI分类制冷时的分布制冷与供热整体式系统HSP-GWHOSP-GW风扇压缩机蒸发器冷凝器分体式系统HRCU-GW-CBHORCU-GW-CB风扇压缩机蒸发器冷凝器分体式系统室内无风扇HRCU-GW-CHORCU-GW-C压缩机蒸发器冷凝器

标准等级工况a.制冷（高温，不宜用于仅供热的机组）室内单元空气温度：干球温度26.7°C，湿球温度19.4°C环境空气温度：干球温度26.7C换热器进口水温：21.1C水流量：由制造商确定b.制冷（低温，不宜用于仅供热的机组）：室内单元空气温度：干球温度26.7C，湿球温度19.4C环境空气温度：干球温度26.7C换热器进口水温：10C水流量：由制造商确定c.供热（高温）室内单元空气温度：干球温度21.1C，湿球温度15.6C（最大值）环境空气温度：干球温度21.1C换热器进口水温：21.1C水流量：由制造商确定d.供热（低温）室内单元空气温度：干球温度21.1C，湿球温度15.6C（最大值）环境空气温度：干球温度21.1C换热器进口水温：10C水流量：由制造商确定3.3闭环系统如埋盘管方式（垂直埋管或水平埋管），地表水安置换热器方式。开环系统如抽取地下水或地表水方式。此外，还有一种“直接膨胀式”，它不象上述系统那样采用中间介质水来传递热量，而是直接将热泵的一个换热器（蒸发器）埋入地下进行换热。地源热泵应用方式地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类，从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。家用系统用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应，多用于小型住宅，别墅等户式空调。集中系统热泵布置在机房内，冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。分散系统用中央水泵，采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源，用户单独使用自己的热泵机组调节空气。一般用于办公楼、学校、商用建筑等，此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上，便于计量，适用于目前的独立热计量要求