汪 寧

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，江蘇南京 211188)

0 引言

隨著國(guó)家建筑節(jié)能減排力度的加大，改善建筑能耗狀況，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，可再生能源建筑的廣泛應(yīng)用已是必然趨勢(shì)。

揚(yáng)州沿江地區(qū)南瀕長(zhǎng)江，北據(jù)蜀岡，大部分為長(zhǎng)江沖積平原，地勢(shì)寬闊而平坦，地面高程3 m～10 m，土壤為亞粘土。地質(zhì)構(gòu)造受揚(yáng)州—銅陵大斷裂帶控制。市內(nèi)第四紀(jì)地層分布廣泛，幾乎覆蓋全區(qū)，可分為崗地沉積區(qū)和長(zhǎng)江漫灘沉積區(qū)。

揚(yáng)州屬于夏熱冬冷地區(qū)，夏季供冷冬季供暖，采用土壤源、地表水源熱泵作為空調(diào)系統(tǒng)冷熱源較為合適。揚(yáng)州代表水體夏季溫度在24℃ ～30℃之間，冬季溫度在4℃ ～7℃之間，淺層土壤的溫度全年在16℃ ～18℃之間，基本接近于當(dāng)?shù)氐哪昶骄鶜鉁?，這種土壤溫度在夏季既足以替代冷卻塔作為熱泵機(jī)組的冷卻系統(tǒng)，在冬季也可以在不添加防凍劑的條件下作為熱泵的低位熱源使用，是比較理想的熱泵低品位熱源。揚(yáng)州城區(qū)河網(wǎng)密布，除長(zhǎng)江外另有主要河流11條和湖泊若干，部分流量較大的河流和較深湖泊的水溫適宜水質(zhì)較好適宜作為水源熱泵冷熱源。揚(yáng)州市區(qū)內(nèi)沿河沿江面積累計(jì)171 km2，這些地方取水便利，輸配管網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用較少，具備地表水源熱泵的實(shí)施條件。

1 地源熱泵應(yīng)用概況

揚(yáng)州的地源熱泵業(yè)務(wù)范圍涵蓋了地源熱泵的生產(chǎn)、研發(fā)、集成和安裝等全過(guò)程，已經(jīng)相繼實(shí)施了累計(jì)超過(guò)50萬(wàn)m2的土壤源熱泵項(xiàng)目。

經(jīng)過(guò)這些前期項(xiàng)目的技術(shù)積累和探索，揚(yáng)州的土壤源熱泵和地表水源熱泵項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展階段，項(xiàng)目數(shù)量迅速增多，規(guī)模日益擴(kuò)大，技術(shù)集成度提高系統(tǒng)更為優(yōu)化可靠，出現(xiàn)了一批經(jīng)過(guò)實(shí)踐鍛煉的設(shè)計(jì)施工等技術(shù)人員隊(duì)伍，對(duì)地源熱泵這種清潔環(huán)保可再生能源建筑應(yīng)用的理解與認(rèn)同度不斷提高，為地源熱泵在揚(yáng)州市的進(jìn)一步發(fā)展打下了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。

揚(yáng)州市至2012年止，預(yù)計(jì)實(shí)施新增可再生能源建筑應(yīng)用工程81項(xiàng)，新增可再生能源建筑應(yīng)用面積810萬(wàn)m2，其中:土壤源熱泵、地表水源熱泵系統(tǒng)共18項(xiàng)，應(yīng)用總建筑面積146萬(wàn)m2;太陽(yáng)能光熱與地源熱泵結(jié)合系統(tǒng)共3項(xiàng)，應(yīng)用總建筑面積32.5萬(wàn)m2。

2 地源熱泵建筑項(xiàng)目示例

2.1 工程概況

帝景藍(lán)灣花園為揚(yáng)州的高檔商品住宅，位于揚(yáng)州市江陽(yáng)中路以南，祥和路以東，地上總建筑面積74 000 m2，其中居住建筑面積684 047 m2，公共配套建筑面積5 053 m2;方案中采用地源熱泵系統(tǒng)，提供小區(qū)內(nèi)住宅范圍內(nèi)的空調(diào)、生活熱水，室內(nèi)采用風(fēng)機(jī)盤管+地板采暖的方式。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案采用:使用硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡外墻、屋面保溫技術(shù)以及安裝Low-E中空斷橋隔熱玻璃門窗(6+12A+6)，配合外遮陽(yáng)卷簾技術(shù)來(lái)有效降低住宅建筑冷熱負(fù)荷。外遮陽(yáng)系統(tǒng)采用的外遮陽(yáng)卷簾，是手動(dòng)皮帶控制軸承，能自由卷縮;墻體嵌入安裝。夏季遮陽(yáng)、隔熱，冬季保溫、節(jié)能，提升了建筑綜合節(jié)能效果。

2.2 地源熱泵方案

本項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)采用地源熱泵集中供冷供熱形式，夏天制冷、冬天制熱供暖，同時(shí)全年需要衛(wèi)生熱水。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，埋管形式采用垂直單U埋管，考慮建筑主體的進(jìn)度，減少與土建等工序的交叉施工，設(shè)計(jì)在中央車庫(kù)埋管。鉆孔在車庫(kù)墊層澆筑前進(jìn)行施工，水平管道施工完畢，車庫(kù)即可澆筑墊層。水平管道在主體建筑墊層以下施工。整個(gè)埋管790口井分為5個(gè)回路，對(duì)應(yīng)3臺(tái)熱泵機(jī)組，既可單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行也可并聯(lián)任何回路運(yùn)行。

水平埋管采用的是非集中同程式連接。非集管式是將單口能源井管道單獨(dú)匯總至檢查井集分水器，檢修方便，在單個(gè)能源井出現(xiàn)泄漏的情況下，關(guān)閉該回路即可，不影響其他回路的正常使用。在建筑下埋管尤其適合。同程方式連接，確保整體水力平衡?？紤]設(shè)備與埋管的匹配，每臺(tái)機(jī)組可以對(duì)應(yīng)相應(yīng)的回路，可以方便調(diào)節(jié)、檢修，在過(guò)度季節(jié)制取生活熱水可以轉(zhuǎn)換到不同的區(qū)域吸熱。

2.3 其他節(jié)能技術(shù)的集成

1)熱泵熱回收技術(shù)。本項(xiàng)目將熱泵機(jī)組的這部分熱能用來(lái)加熱做生活熱水，在制冷季用戶可免費(fèi)得到生活熱水，冬季可在供暖的同時(shí)提供生活熱水，過(guò)度季節(jié)可以單獨(dú)提供生活熱水。有利于提高能源的利用效率，節(jié)約一次能源，具有較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

2)空調(diào)分戶熱計(jì)量技術(shù)。每幢建筑設(shè)總能量表，分戶設(shè)熱能表。夏季，用戶通過(guò)對(duì)末端風(fēng)機(jī)盤管控制開(kāi)關(guān)的控制，控制風(fēng)機(jī)盤管電動(dòng)閥的啟閉達(dá)到控制流量、控制使用量的目的;冬季，用戶通過(guò)對(duì)末端地板輻射采暖的分、集水器閥門啟閉的控制，進(jìn)行使用量和流量控制，最終達(dá)到多用多付費(fèi)、少用少付費(fèi)，節(jié)約能源的目的。

3 經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益分析

結(jié)合揚(yáng)州市千年古城保護(hù)和“一體兩翼、四位一體”的發(fā)展規(guī)劃，在揚(yáng)州新區(qū)建設(shè)、老城改造中全面推進(jìn)可再生能源在建筑中的規(guī)?；瘧?yīng)用。實(shí)現(xiàn)可再生能源利用的合理空間布局。因地制宜，使可再生能源的特性與建筑特性有機(jī)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光熱、光伏、地源熱泵等多種形式的集成化應(yīng)用，擴(kuò)大可再生能源的利用效能。

對(duì)部分標(biāo)準(zhǔn)較高的新建居住小區(qū)，可適當(dāng)采用地源熱泵集中供冷供熱供生活熱水;對(duì)熱水需求少的辦公類、商業(yè)類建筑，以地源熱泵和光伏應(yīng)用為主;對(duì)有熱水需求的醫(yī)院、賓館類建筑和多功能的綜合建筑以地源熱泵、光熱、光伏的集成應(yīng)用為主。

3.1 地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

為較準(zhǔn)確的分析實(shí)施地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，與常規(guī)系統(tǒng)的增量成本和投資額，現(xiàn)以揚(yáng)州市已實(shí)施的一個(gè)典型工程為例進(jìn)行分析:

建筑類型:住宅建筑面積48 733.31 m2;

技術(shù)方案:利用土壤源熱泵技術(shù)的集中供熱制冷系統(tǒng)，滿足建筑冬夏季空調(diào)冷熱負(fù)荷以及生活熱水負(fù)荷;

技術(shù)參數(shù):總冷負(fù)荷:2 238 kW，總熱負(fù)荷:1 977.2 kW，設(shè)計(jì)夏季系統(tǒng)COP達(dá)到4.03，冬季系統(tǒng)COP達(dá)到3.67。

地源熱泵系統(tǒng)1 820萬(wàn)元，具體設(shè)備選型如表1所示。

表1 設(shè)備選型表

1)增量成本概算。

對(duì)于住宅建筑，項(xiàng)目的空調(diào)系統(tǒng)的增量成本應(yīng)該與常規(guī)的分戶式空調(diào)相比較。本項(xiàng)目建筑面積約4.87萬(wàn)m2，分戶式空調(diào)投資成本按90元/m2進(jìn)行估算。由于分戶式空調(diào)使用壽命按10年計(jì)算，地源熱泵機(jī)組使用壽命按25年計(jì)算，故在進(jìn)行增量成本比較時(shí)，分戶式空調(diào)系統(tǒng)以2.5次投資進(jìn)行成本估算，具體估算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 成本增量概算表 萬(wàn)元

可見(jiàn)實(shí)施地源熱泵系統(tǒng)相較于常規(guī)系統(tǒng)的增量成本約為725萬(wàn)元，折算到單位建筑面積的增量成本約為149元/m2;系統(tǒng)的能耗可分為主機(jī)、輸配系統(tǒng)、管網(wǎng)損耗三部分。當(dāng)系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)能效計(jì)算如表3所示。

2)節(jié)能量計(jì)算。

計(jì)算參數(shù):夏季運(yùn)行120 d冬季運(yùn)行100 d，每天運(yùn)行14 h，年負(fù)荷系數(shù)取0.7，電費(fèi)0.8元/kWh。地源熱泵系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 系統(tǒng)能效計(jì)算表

表4 地源熱泵系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用表

傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算:

傳統(tǒng)住宅空調(diào)以分體式空調(diào)計(jì)算，其夏季 COP3.0，冬季COP2.2，生活熱水按電熱水器計(jì)算，效率 0.95，見(jiàn)表 5。

表5 傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用表

可以看出，采用地源熱泵系統(tǒng)，全年空調(diào)耗電量為118萬(wàn)kWh，而采用傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的年耗電量要高達(dá)218.5萬(wàn)kWh，相比傳統(tǒng)系統(tǒng)節(jié)電量可以達(dá)到100.5萬(wàn)kWh，折算為標(biāo)準(zhǔn)煤為361.8 t標(biāo)準(zhǔn)煤，節(jié)省電費(fèi)88.34 萬(wàn)元。

通過(guò)以上計(jì)算可以看出，在揚(yáng)州地區(qū)實(shí)施地源熱泵系統(tǒng)，其單位建筑面積的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)為:增量投資約為150元/m2，年節(jié)電量21 kWh/m2。

3.2 社會(huì)效益分析

揚(yáng)州市地源熱泵建筑利用已經(jīng)具備良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和實(shí)踐積累，具備開(kāi)展規(guī)模化建筑應(yīng)用的條件。通過(guò)在揚(yáng)州市實(shí)施可再生能源建筑應(yīng)用的規(guī)模化示范，不但可以極大減少污染物和溫室氣體的排放，減少燃料等一次能源消耗，也相應(yīng)減少了煤炭開(kāi)采的生態(tài)破壞和燃煤發(fā)電的水資源消耗。

通過(guò)對(duì)揚(yáng)州市可再生能源建筑應(yīng)用的推廣，可推動(dòng)揚(yáng)州市太陽(yáng)能和地源熱泵企業(yè)的發(fā)展。

3.3 環(huán)境效益分析

地源熱泵與常規(guī)系統(tǒng)相比，由地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)的單位建筑面積，年節(jié)電量可達(dá)21 kWh/m2左右，相當(dāng)于減排17.8 kg CO2，0.06 kg SO2。

1)埋管土壤源熱泵應(yīng)用量預(yù)計(jì)及控制。通過(guò)示范項(xiàng)目試點(diǎn)和帶動(dòng)土壤源熱泵在適宜條件下的發(fā)展，揚(yáng)州市已經(jīng)有2個(gè)國(guó)家級(jí)的土壤源熱泵示范項(xiàng)目，累計(jì)利用建筑面積超過(guò)了50萬(wàn)m2，技術(shù)上已經(jīng)有足夠的積累，目前已確定采用該技術(shù)的項(xiàng)目有150萬(wàn)m2。

2)江水、河水源熱泵。在揚(yáng)州長(zhǎng)江等沿江地帶具有良好發(fā)展條件的地區(qū)適度發(fā)展江河地表水源熱泵。

3)地下水源熱泵。揚(yáng)州市地下水主要是分布在長(zhǎng)江平原第四系松散地層，孔隙地下水回灌易堵，一口取水井需要2口～2.5口回灌井，經(jīng)濟(jì)性較差。揚(yáng)州地區(qū)地下水作為飲用水的價(jià)值遠(yuǎn)大于利用其溫差能，不鼓勵(lì)采用地下水源熱泵，在充分論證后，進(jìn)行試點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

在建筑中規(guī)?；每稍偕茉词墙ㄖ?jié)能和合理利用能源、建筑可持續(xù)發(fā)展的共同要求。當(dāng)前中國(guó)的能源與環(huán)境問(wèn)題已成為制約經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的兩大因素，中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展模式已經(jīng)走到了高能耗發(fā)展與高能效發(fā)展的十字路口。針對(duì)能源問(wèn)題現(xiàn)狀，可再生能源在建筑中的規(guī)模化應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)源與節(jié)流并舉，替代不可再生能源，提高能源利用效率等多重目標(biāo)。