哈建海

1 概述

實(shí)施可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略已成為新時(shí)期我國能源發(fā)展的基本方針。可再生能源在建筑中的應(yīng)用是建筑節(jié)能工作的重要組成部分。地源熱泵系統(tǒng)作為可再生能源應(yīng)用的主要途徑之一，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都具有較大優(yōu)勢，近年來在國內(nèi)得到了日益廣泛的應(yīng)用。

我國頒布了GB 50366-2005地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范，于2006年1月1日起實(shí)施。開發(fā)利用綠色環(huán)保的能源，不僅是全球也是國內(nèi)未來能源戰(zhàn)略的發(fā)展方向。

福州海峽國際會展中心位于福州市倉山區(qū)閩江南岸，占地面積67萬m2，建筑面積38萬m2，由會議中心連接兩個(gè)展館組成，是國內(nèi)目前最大的展館之一。采用了多項(xiàng)節(jié)能環(huán)保技術(shù)中最具代表性的設(shè)計(jì)是:其會議中心在冬季采暖上采用了地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)。

2 地源熱泵系統(tǒng)

2.1 概念

地源熱泵系統(tǒng)是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。它以巖土體、地下水或地表水為地溫?zé)嵩?，由水源熱泵機(jī)組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成。根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源(如電能)，實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。

2.2 工作原理

熱量總是從高溫流向低溫，但人們可以創(chuàng)造機(jī)器，如采用熱泵技術(shù)可以把熱量從低溫抽吸到高溫，所以地源熱泵實(shí)質(zhì)上是一種熱量提升裝置，它本身消耗一部分能量，把環(huán)境介質(zhì)中貯存的能量加以挖掘，提高溫位進(jìn)行利用，這就是地源熱泵節(jié)能的原理。

圖1 地源熱泵供暖/制冷工作示意圖

如圖1所示，地源熱泵裝置主要由四個(gè)部分組成——壓縮機(jī)、冷凝器、調(diào)節(jié)閥、蒸發(fā)器。供暖時(shí)，工作介質(zhì)在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，吸收地下水中的熱量，使地下水溫度降低，降溫后泵入地下與地層熱交換，升溫后抽出循環(huán)。工作介質(zhì)蒸發(fā)后變成氣體，由壓縮機(jī)壓縮，再經(jīng)過冷凝器還原成液體，經(jīng)與空調(diào)水熱交換后，冷凝放出熱量，使空調(diào)水升溫，供建筑物內(nèi)采暖。

工作介質(zhì)變成液體，由調(diào)節(jié)閥調(diào)整流量后進(jìn)入蒸發(fā)器，再吸熱蒸發(fā)，如此循環(huán)，進(jìn)行能量交換。制冷時(shí)，工作過程正好相反，只是將冷凝器連接到地下水管線上，工作介質(zhì)放熱給地下水;將蒸發(fā)器連接到空調(diào)水上，由工作介質(zhì)吸收空調(diào)水的熱量，不斷循環(huán)，達(dá)到制冷的效果。

2.3 性能特點(diǎn)

1)利用可再生能源:從常溫土壤或地下水(地表水)中吸熱或向其排熱，利用的是可再生的清潔能源，可持續(xù)使用。

2)高效節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用低:屬經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能技術(shù)，地源熱泵的冷、熱源溫度一年四季相對穩(wěn)定，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

3)節(jié)水省地:以土壤(水)為冷、熱源，向其放出或吸收熱量，不消耗水資源，不會對其造成污染;省去了鍋爐房及附屬煤場、儲油房、冷卻塔等設(shè)施，節(jié)省建筑空間。

4)環(huán)境效益顯著:該裝置的運(yùn)行沒有燃燒，排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場所，不會產(chǎn)生城市熱島效應(yīng)，對環(huán)境非常友好，是理想的綠色環(huán)保技術(shù)。

5)運(yùn)行安全穩(wěn)定、可靠性高:地源熱泵系統(tǒng)在不產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、丙烷等廢氣，不會有爆炸的危險(xiǎn)，使用安全。地源溫度非常恒定，維修量極少。

3 地源熱泵技術(shù)在福州海峽國際會展中心的應(yīng)用

3.1 初步方案選擇

福州海峽國際會展中心(以下簡稱會展中心)濱臨閩江，所在地原為閩江中的多塊沙洲，經(jīng)大量吹填砂，人工建造而成，后將此人造的地塊稱為會展島。因此，會展島下砂層有著非常豐富的地下水資源，且與閩江互通。

會展中心項(xiàng)目主體工程由北京市建筑設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，充分利用該地豐富的地下水及地?zé)崮苜Y源，同時(shí)考慮到會議中心的重要性，將供暖系統(tǒng)應(yīng)用到了會議中心。并以地下水地源熱泵系統(tǒng)作為會議中心唯一的采暖系統(tǒng)，并入整個(gè)會議中心的中央空調(diào)系統(tǒng)。

對于地下水換熱系統(tǒng)，首先要有持續(xù)水源的保證，同時(shí)還要具備可靠的回灌能力。地下水系統(tǒng)是目前地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用最廣的一種形式。對于較大系統(tǒng)，地下水系統(tǒng)的投資遠(yuǎn)低于埋地管系統(tǒng)。由會展島的水文地質(zhì)條件來看，非常適合采用地下水地源熱泵系統(tǒng)。

3.2 深化設(shè)計(jì)與施工

3.2.1 水文地質(zhì)勘察

會展中心地源熱泵系統(tǒng)工程勘察由福州市勘察院承擔(dān)，于2008年12月出具勘察報(bào)告，勘察報(bào)告包括以下內(nèi)容:

1)地下水類型;

2)含水層巖性、分布、埋深及厚度;

3)含水層的富水性和滲透性;

4)地下水徑流方向、速度和水力坡度;

5)地下水溫度及其分布;

6)地下水水質(zhì);

7)地下水水位動態(tài)變化。

該勘察報(bào)告為會展中心地源熱泵系統(tǒng)深化提供了主要的設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.2.2 地源熱泵系統(tǒng)的選擇

會展中心地源熱泵系統(tǒng)由福建省建研勘察設(shè)計(jì)院進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)與北京市建筑設(shè)計(jì)研究院的界限是板式換熱器。兩臺地源熱泵的機(jī)組型號為CH3-B1/C1-2，制冷量為2 100 kW，冷卻水量為226 m3/h，由北京市建筑設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)采用開式循環(huán)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)直接利用地下水的恒溫特性，采用“抽水—回灌”的循環(huán)過程來提取熱量。由于開式循環(huán)系統(tǒng)可以減少鉆井工程量，因此在地下水豐富地區(qū)常使用。開式循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)注意的是:

1)完善地下水回灌技術(shù)，保護(hù)地下水資源;

2)提供可靠的地下水資源水文地質(zhì)資料，確?？照{(diào)設(shè)計(jì)人員所需資料準(zhǔn)確;

3)利用供水井鉆井和成井新技術(shù)，降低鉆井成本，提升鉆井效率，提高水井質(zhì)量和壽命。在熱源井的設(shè)計(jì)上，根據(jù)福州市勘察院提供的水文地質(zhì)資料，第一含水層地水質(zhì)接近閩江水水質(zhì)，抽水井動水位變化規(guī)律與閩江水潮汐規(guī)律一致，井水實(shí)際上大部分來自閩江水，因此，抽、回灌井的比例為1∶2。但由于該項(xiàng)目毗鄰閩江，潮汐、洪水對回灌排水方式都有較大的影響，由此，回灌總管設(shè)旁通管，接至雨水井，在回灌排水方式排水有困難時(shí)，啟用旁通管。

3.2.3 地下水流量控制

抽水泵功耗過高是目前地下水系統(tǒng)運(yùn)行存在的普遍問題。根據(jù)負(fù)荷需求調(diào)節(jié)地下水流量，具有很大節(jié)能潛力。常用抽水泵控制方法有:設(shè)置雙限溫度的雙位控制、變速控制和多井調(diào)節(jié)控制。會展中心地源熱泵系統(tǒng)采用的是多井調(diào)節(jié)控制的方法，在會議中心北側(cè)設(shè)置12組抽、回兩用井和6組回灌井，配備了12臺吸水泵。通過控制開啟吸水泵臺數(shù)來控制循環(huán)水總流量，從而達(dá)到節(jié)能的效果。

3.2.4 設(shè)備選擇

除北京市建筑設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的地源熱泵機(jī)組和板式換熱器外，設(shè)計(jì)上采用的設(shè)備還有:

1)潛水泵:175QJ40-36/3，H=34 m，P=7.5 kW，Q=37.5 m3/h;

2)旋流除砂器:CSQ-B1/C-1，需處理水量225 m3/h;

3)射頻自動(排污)過濾器:WD-125SPG-A;

4)F型綜合水處理器:WD-125A，OZH-F-MC;

5)BTS自動清洗裝置。

3.3 地源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際使用

2011年1月5日和1月6日，中國人民政治協(xié)商會議第十一屆福州市委員會第五次會議和福州市十三屆人大六次會議分別在福州海峽國際會展中心舉行。兩會期間(1月5日～1月9日)正是福州冬季最冷的時(shí)間，因此，將地源熱泵供暖系統(tǒng)投入了使用。經(jīng)過5 d的供暖運(yùn)行，室外氣溫均在5℃～12℃，會議中心內(nèi)的大會堂、多功能廳等大空間室溫約20℃，安裝風(fēng)機(jī)盤管的小型會議室、休息室等小空間室溫約在25℃，舒適宜人，達(dá)到了設(shè)計(jì)上的要求，保障了會議的正常進(jìn)行，受到了省、市領(lǐng)導(dǎo)和兩會代表的一致好評。這說明了地源熱泵技術(shù)在海峽會展中心的應(yīng)用是成功的。

4 結(jié)語

中國是世界上直接利用地?zé)釢摿ψ畲蟮膰摇?/p>

1)中國國土遼闊，地?zé)豳Y源豐富;

2)中國人口眾多，將來需求量無可比擬。在我國，地源熱泵技術(shù)應(yīng)用時(shí)間不長，在設(shè)計(jì)方法和施工技術(shù)的研究上還很不夠，很多技術(shù)只能參考國外技術(shù)。隨著對綠色能源需求的不斷增加，地源熱泵技術(shù)將會得到更加廣泛的應(yīng)用。

［1］ GB 50366-2005，地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］ GB/T 19409-2003，水源熱泵機(jī)組［S］.

［3］ 鄒 瑜，徐 偉，馮小梅.國家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB50366-2005設(shè)計(jì)要點(diǎn)解析［J］.暖通空調(diào)，2008(5):11-13.

［4］ 李 瓊.地源熱泵及其優(yōu)越性［J］.山西建筑，2010，36(19):170-171.