地源熱泵技術在別墅中的應用
李向軍1  王夢婷2
     （1北京維拓時代建筑設計有限公司；2.北京達源科創(chuàng)科技有限公司）

摘 　要：本文介紹了地源熱泵的工作原理和基本類型; 結(jié)合工程應用，比較了地源熱泵系統(tǒng)與普通空調(diào)系統(tǒng)的特點,得出地源熱泵在技術上和經(jīng)濟上具有明顯優(yōu)勢的結(jié)論；指出其在中國的發(fā)展前景。
關鍵詞：地源熱泵  應用  節(jié)能

    隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，人們對居住環(huán)境的舒適度和節(jié)能的要求越來越高。別墅作為一種高檔住宅越來越多的出現(xiàn)在我們的身邊，在其中的各類設施中，中央空調(diào)是很重要的部分，直接影響樓盤的銷售和以后業(yè)主的生活。高檔別墅對其中央空調(diào)系統(tǒng)有著較高要求：穩(wěn)定、環(huán)保、節(jié)能。
(1)室內(nèi)空氣品質(zhì)應滿足高標準的溫、濕度要求，這就要求在不同室外工況下系統(tǒng)擁有持續(xù)穩(wěn)定的冷、熱源；
(2)室內(nèi)、外環(huán)境應寧靜宜人而且應合理配合裝潢及視覺要求，確保美觀。
(3)真正適合高檔別墅的空調(diào)方案應同時在技術性能、運行成本、維護管理等方面具有相對的優(yōu)異性，并應兼具創(chuàng)新及綠色環(huán)保概念。
    由于別墅具有鮮明的使用獨立性，而且很多別墅主人往往將其作為第二居所，可能長時間停止室內(nèi)的正常供冷和供暖，因此對于別墅小區(qū)類項目來說，集中的冷熱源會出現(xiàn)使用率低、管網(wǎng)平衡難以調(diào)節(jié)等問題；因此越來越多的別墅項目是以單棟為單位，設置獨立冷、熱源的戶式中央空調(diào)系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)需求開啟和調(diào)節(jié)，即開即用，方便靈活。

1．別墅的戶式中央空調(diào)系統(tǒng)常見形式有以下幾種：

1.1 風冷（熱泵）冷水機組+風機盤管：
此為傳統(tǒng)方案，已發(fā)展的比較成熟，采用自動化變頻控制，可以實現(xiàn)全面調(diào)節(jié)運行。
1.2 風管式戶式中央空調(diào)（風道機）
此種方式是通過風管將冷風或熱風送入室內(nèi)。室內(nèi)機組不是風機盤管而是一種管道空調(diào)機。
1.3 變制冷劑流量系統(tǒng)
以VRV為代表的空調(diào)系統(tǒng)，可以根據(jù)室內(nèi)負荷大小自動調(diào)節(jié)制冷制熱量，具有較好的節(jié)能效果，室內(nèi)機形式也比較多樣化。這種系統(tǒng)形式較為靈活。但是以上三種形式的系統(tǒng)有以下幾種弊端：
(1)由于都屬于空氣源熱泵的范疇，所以都必須設置室外機——除了要尋找合適的擺放位置外，還不可避免的產(chǎn)生噪音的問題，對住戶和小區(qū)的視聽環(huán)境都會產(chǎn)生一定的影響。
(2)在北方地區(qū)應用以上系統(tǒng)還有一個更麻煩的問題，那就是冬季室外氣溫低的時候，熱泵的效率很低，一般的空氣源熱泵在零下五度以下能效就比較差了，所以冬季必須有其他輔助加熱措施，而且可能要除霜。
(3)對于大多數(shù)長期生活在北方的人來說，要在漫長的冬季使用空調(diào)是非常不適應的，甚至是根本不能接受的。北方地區(qū)的高檔住宅冬季采暖大都采用比較舒適的低溫地板輻射采暖系統(tǒng)，也就是說冬季必須有穩(wěn)定的熱源。所以采用以上幾種空調(diào)系統(tǒng)的別墅大都另配了燃氣采暖爐供冬季使用。

2.地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)介紹

    地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)是一種高效節(jié)能、環(huán)保型的系統(tǒng)，主要分土壤源熱泵系統(tǒng)、地下水熱泵系統(tǒng)和地表水熱泵系統(tǒng)3種形式。
2.1 地下水熱泵系統(tǒng)分為開式、閉式兩種：開式是將地下水直接供到熱泵機組，再將井水回灌到地下；閉式是將地下水連接到板式換熱器，機組側(cè)需要二次換熱。
2.2 地表水熱泵系統(tǒng)的管路形式與土壤源熱泵系統(tǒng)相似，用潛在水下并聯(lián)的塑料管組成地下水熱交換器替代土壤熱交換器。雖然采用地下水、地表水的熱泵系統(tǒng)的換熱性能好，能耗低，性能系數(shù)高于土壤源熱泵，但由于地下水、地表水并非到處可得，且水質(zhì)也不一定能滿足要求，所以其使用范圍受到一定限制。國外（如美國、歐洲）主要研究和應用的地源熱泵系統(tǒng)以及我國理論和實驗研究的重點均是土壤源熱泵系統(tǒng)。
2.3 土壤源熱泵，是一種以土壤作為低溫熱源的熱泵，它利用水或一些特定的防凍液作為中間介質(zhì)，通過地埋換熱器，在夏季把地下的冷量“吸取”出來，供制冷用；冬季，把地下的熱量“吸取”出來，供采暖用。由于地下土壤溫度變化很小，并且有一定的蓄熱作用，換熱器不需要除霜。我們知道地溫變化相對于氣溫有一定的延遲與衰減，當室外溫度較低時， 要供需給室內(nèi)較多的熱量，而土壤溫度此時高于氣溫，而當2-3月份時，雖然土壤溫度降到了最低，但此時需要的供熱量比最冷月要少，因而以土壤作為冷（熱）源既有利于夏季空調(diào)運行時向地下放熱，也有利于冬季供暖運行時從地下吸熱。

3.土壤源熱泵與普通中央空調(diào)方式的比較

3.1  主機設置，對于普通中央空調(diào)系統(tǒng)，若采用風冷熱泵作為主機，則主機必須要與外界通風良好，一般是置于屋頂或地面，這使得此類主機在別墅領域的應用嚴重受限。而土壤源熱泵主機的設置就非常靈活，可以設置在建筑物內(nèi)部的任何位置。若設置冷水機組＋鍋爐進行制冷、供熱，冷卻塔和鍋爐的位置就更受限制。因此，就主機設置的靈活性而言，地源熱泵系統(tǒng)是非常靈活的。

3.2  運行效率，對于普通中央空調(diào)系統(tǒng)，不管是采用風冷熱泵機組還是采用帶冷卻塔的冷水機組，無一例外的要受外界天氣條件的限制，即用戶區(qū)越需要供冷或供熱時，主機的供冷量或供熱量就越不足，即運行效率下降，這使其在夏熱冬冷地區(qū)的使用受到了影響。而土壤源熱泵機組與外界的換熱是通過地下巖土體——其溫度很穩(wěn)定，不受外界當時天氣的變化而影響運行效率，因此，土壤源熱泵的運行效率較高。
3.3  經(jīng)濟方面，地源熱泵系統(tǒng)還可以集采暖、制冷和提供生活熱水于一身。一套系統(tǒng)可以替換原有的供熱鍋爐、制冷和生活熱水加熱的三套裝置或系統(tǒng)，從而增加了經(jīng)濟性。
3.4  環(huán)境保護， 從土壤源熱泵的整個運行原理來看，它是真正意義的綠色環(huán)?？照{(diào)，不管是冬季還是夏季運行，都不會對建筑外大氣環(huán)境造成不良影響。而普通中央空調(diào)系統(tǒng)，將廢熱氣或水蒸氣排向室外環(huán)境，無一例外的都對環(huán)境造成了污染。以地球淺層巖土作為冷熱源，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。
3.5  運行費用， 地源熱泵系統(tǒng)在運行中的節(jié)能特點也是顯而易見的：額定工況下，地源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW左右的熱量或冷量。其制冷、制熱系數(shù)可達4以上，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%，其運行費用為普通中央空調(diào)的50～60％。要達到相同的制冷制熱量，土壤源熱泵主機的輸入功率較小，即運行費用較低，在全年使用的場所，這種效果尤為明顯。地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能；鍋爐只能將70～90%的燃料化學能轉(zhuǎn)為熱量，因此比燃料鍋爐節(jié)省約二分之一的能量。
3.6  無需除霜。大地土壤溫度一年四季相對保持恒定，冬季也能保持在 15℃ 以上，埋地換熱器不會結(jié)霜，可節(jié)省因除霜而消耗的能量。
3.7  系統(tǒng)簡單。一機多用，節(jié)約設備用房，應用范圍廣。地源熱泵可供暖、空調(diào)，還可用于生活熱水供應系統(tǒng)，一套系統(tǒng)可替代鍋爐加冷水機組兩套系統(tǒng)，又由于機組外形緊湊，因此一機多用，節(jié)省了建筑空間及設備的初投資，由此而產(chǎn)生的經(jīng)濟效益相當可觀。

4.工程實例

4.1  工程概況
本工程是由中國希格瑪集團有限公司在中國北京發(fā)展的新型老年社區(qū)，建設單位及設計單位均力爭將本社區(qū)打造成為綠色、環(huán)保、適宜退休人員居住的典范工程。該項目已是建設部評定的2A級住宅。
    該社區(qū)位于北京東北約50公里的順義潮白河畔，占地234公頃，總建筑面積79萬平米，分三期建設，目前第一、二期已投入使用，三期正在建設中。該社區(qū)可以容納1.2萬人居住，包括公寓，聯(lián)排別墅及獨立別墅的居住建筑，以及為社區(qū)服務的配套公共服務中心建筑。
    東方太陽城所處地區(qū)市政條件匱乏，既無市政燃氣管道，也無城市熱網(wǎng)，對于采暖，空調(diào)系統(tǒng)的冷源如何設置，是我們設計中重點探討研究的課題，通過技術經(jīng)濟分析比較及深入細致的調(diào)查研究最終決定：在二期的獨立住宅項目中采用土壤源熱泵技術。見圖1,2.
    二期獨立住宅是由115戶（戶型為：H1～H6）別墅及7戶四合院構(gòu)成，總建筑面積3.82萬平米。各戶設獨立的土壤源熱泵機組作為其空調(diào)系統(tǒng)冷熱源。
4.1.1  主要技術經(jīng)濟指標（H5戶型為例）
建筑面積：377平米
夏季設計冷負荷：19.6KW     夏季設計熱負荷：20.1KW
熱泵機組：ILA120型  1臺
鉆孔數(shù)量：5個； 井深：80米；換熱管為雙U布置的PE管材。
空調(diào)系統(tǒng)投資：300元/平米
4.1.2   優(yōu)、缺點：
    環(huán)保性 —— 與燃煤鍋爐相比，可大量減少污染物的排放，保護大氣環(huán)境。
    技術成熟性 —— 目前國內(nèi)、外已有大量成功實例，節(jié)省運行費用。
    存在的問題：機房布置應合理，留有合適的維修空間。尚待研究解決的問題：地質(zhì)結(jié)構(gòu)、不同深度地溫的關系；單位管長換熱量及其變化規(guī)律；冬夏季取、排熱量不平衡問題等。
    該系統(tǒng)正式投入運行時間為2004年1月，經(jīng)過4年多的運行，系統(tǒng)工況及室內(nèi)溫度均能滿足設計要求。

圖1地源熱泵系統(tǒng)原理圖

 
4.2  運行參數(shù)
對某棟住宅進行測試，冬季測試時間：2005年2月，室外最低溫度：-8℃ ；夏季測試時間：2005年7月，室外最高溫度：32℃。
4.2.1 冬季運行：
系統(tǒng)水出口溫度：44.3 ℃
系統(tǒng)水回水溫度：40.0 ℃
井水出水溫度：3.4 ℃
井水回水溫度：5.9 ℃
4.2.2  夏季運行：
系統(tǒng)水出口溫度：7.6 ℃
系統(tǒng)水回水溫度：12.0 ℃
井水出水溫度：25.0 ℃
井水回水溫度：28.6 ℃
4.2.3  運行溫度記錄：
起居廳：  冬季溫度：23 ℃  夏季溫度：24 ℃
主臥室：  冬季溫度：22 ℃  夏季溫度：25 ℃
主衛(wèi)：    冬季溫度：22 ℃  夏季溫度：25 ℃
次臥：    冬季溫度：22℃  夏季溫度： 25 ℃
次衛(wèi)：    冬季溫度：22 ℃  夏季溫度：25 ℃
書房：    冬季溫度：22 ℃  夏季溫度：25 ℃
4.3  運行費用：
冬季：14.3元/平方米
夏季：13.4元/平方米   
冬夏合計：27.7元/平方米

5.結(jié)論

    綜上所述，設計合理的地源熱泵系統(tǒng)，用一份電可制造4份以上的熱量, 其中三份的熱量來于大地，大大降低了運行費用；綠色環(huán)保： 系統(tǒng)運行時無任何大氣污染物排放問題,屬真正環(huán)保的空調(diào)方式；系統(tǒng)運行平穩(wěn)，壽命長、控制較簡單；系統(tǒng)主要部分安裝于室內(nèi)及地下，避免惡劣環(huán)境，地下部分可用50年，機組使用壽命在15年左右。
    在國家節(jié)能政策的推動下，地源熱泵系統(tǒng)在國內(nèi)得到了迅速發(fā)展。但是，由于我國的地源熱泵系統(tǒng)的實際經(jīng)驗還不成熟：在實際工程中設計單位可能還會遇到一些技術以外的問題，以及建設方的運行管理水平，這些因素均會對地源熱泵系統(tǒng)的設計運行造成阻礙。要使地源熱泵走上有序軌道，必須從工程的設計、施工、運行管理等方面加以注意。
5.1  必須合理確定設計負荷，否則將導致地源熱泵地下?lián)Q熱器的設計不合理，導致其運行不正常，這是設計單位和建設方均應共同注意的問題。
5.2  施工過程中，應盡量滿足設計要求，特別是地下?lián)Q熱系統(tǒng)。若有更改，設計單位必須進行全面分析，監(jiān)理單位要按照設計單位的要求對施工單位進行質(zhì)量監(jiān)督。
5.3  建設單位應注意系統(tǒng)的節(jié)能運行管理。
5.4  太陽能系統(tǒng)+地源熱泵系統(tǒng)的復合系統(tǒng)，具有良好的技術性和經(jīng)濟性，增加的初投資在系統(tǒng)壽命內(nèi)都可以得到回收。
    地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)作為一種節(jié)能環(huán)保的空調(diào)方式，在歐洲和北美各地被廣泛應用幾十年。在我國，由于地源熱泵系統(tǒng)室外埋管技術含量高，初投資較大，并且受一些地質(zhì)條件的限制，所以應用不多。但它能夠克服傳統(tǒng)熱泵空調(diào)技術中的一些局限與不足，具有現(xiàn)實意義。我們相信隨著技術的不斷成熟和政府補貼政策的出臺，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)將會憑借著自身優(yōu)勢在我國蓬勃發(fā)展。

注：本文為《地源熱泵》雜志專稿內(nèi)容，轉(zhuǎn)載請注明“中國地源熱泵網(wǎng)”。