文/上海容承企業(yè)管理有限公司（世茂房地產(chǎn)） 胡海龍

目前我國城鎮(zhèn)民用建筑（非工業(yè)建筑）運行耗電為我國總發(fā)電量的22%～24%，近年來天然氣供應(yīng)緊張，我國目前天然氣缺口量達113億m3[1]。這些數(shù)值不僅是建筑運行所消耗的能源，也包括居民的供熱供暖消耗。這些缺口造成我國能源供應(yīng)的巨大壓力，在暖通空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用節(jié)能環(huán)保技術(shù)將有助于節(jié)約能源，緩解能源壓力[2]。以地源熱泵中央空調(diào)在上海某小區(qū)暖通工程應(yīng)用為例，闡述其性能特點及節(jié)能優(yōu)勢。

1 工程概況

1.1 工程介紹

該項目為上海市奉賢區(qū)某居住小區(qū)，占地90畝，總建筑面積12.3萬m2。該小區(qū)始建于2016年3月，于2017年12月完工。該小區(qū)的建筑為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，灌注樁基礎(chǔ)，按8度抗震設(shè)防。小區(qū)位于上海市奉賢區(qū)中心區(qū)域，周邊同樣為居住區(qū)，該小區(qū)目前入住率較高，各項基礎(chǔ)設(shè)施健全，周圍商圈較多，居民就近購物、娛樂、就醫(yī)、學(xué)習(xí)等非常便捷。建筑樓層之間分布均勻，房間采光良好，大部分房間坐北朝南，空氣流動暢通。

項目所處區(qū)域氣候為亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，主要氣候特征是：四季分明，春天溫暖，夏季炎熱，秋季涼爽，冬季寒冷。平均全年降雨量適中，每個季節(jié)均有雨水。綜合說明該小區(qū)所處氣候溫暖濕潤，四季分明。經(jīng)研究數(shù)據(jù)分析，小區(qū)所在區(qū)域內(nèi)氣候溫度最高的為7～8月，超過35℃的高溫天數(shù)20天左右，夏季非常炎熱；冬季1月下旬到2月初溫度最低，0℃的寒冷天氣雖然不多，但偶爾出現(xiàn)（一般持續(xù)3天），月平均最高氣溫為31.8℃，月平均最低氣溫為0.3℃。

1.2 系統(tǒng)總冷熱負荷計算

按照最新頒布的上海市暖通節(jié)能空調(diào)標準，經(jīng)多方驗證分析計算，在充分考慮外界因素對本工程的干擾下，工程總體夏季冷功率為60W/m2，冬季熱功率50W/m2；住宅夏季總冷功率：60W/m2×94400m2=5664kW，按照夏季室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計標準和設(shè)定的計算條件，計算出的單位建筑面積空調(diào)設(shè)備年所要消耗的電能。住宅冬季總熱功率：50W/m2×94400m2=4720kW，按照冬季室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)計標準和設(shè)定的計算條件，計算出的單位建筑面積采暖設(shè)備年所要消耗的電能。根據(jù)設(shè)計要求的利用率進行統(tǒng)一整體考慮，最終以80%計算，該工程夏季及冬季的總冷功率分別為：4531.2，3776.0kW。

1.3 熱水用量分析

整個小區(qū)共658戶，所有居民每天最大使用熱水總量為92t，平均每戶居民使用熱水量為139.8L/d。熱水用量的高峰期為20:00-23:00，早間用水高峰期為06:00-08:00。但由于每天每季度用水不固定，平均用水量僅為參考。

1.4 小區(qū)空調(diào)主機挑選

根據(jù)小區(qū)居住實際情況總制冷量4531.2kW及總制熱量3776.0kW計算，項目擬設(shè)置2個空調(diào)主機房。主機選用廣東某空調(diào)機械設(shè)備公司生產(chǎn)組裝的6臺大型螺桿式土壤源熱泵機組SM（D）-160LR，可滿足工程項目既制冷又制熱的功能需求。

螺桿式風(fēng)冷熱泵機組具有制冷量大、占地面積少的優(yōu)點。螺桿式土壤源熱泵機依靠壓縮機內(nèi)的滑閥進行能量調(diào)節(jié)，雖然初次投資稍大，但后期運行和維護費用低。在本小區(qū)空調(diào)主機的選擇過程中，選擇4臺螺桿風(fēng)冷熱泵機組一備三用。但螺桿式土壤源熱泵機組存在冬季化霜效果差等問題，而且隨外界環(huán)境溫度的大幅下降，冷熱泵組的制熱、制冷能力也大幅下降。但從后期運營穩(wěn)定性及未來的運行維護費用看，螺桿式風(fēng)冷熱泵機組明顯優(yōu)于模塊式風(fēng)冷熱泵機組。

1.5 地埋管系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)項目實地情況和現(xiàn)場條件因素，本工程擬采用豎直雙U埋管形式進行安裝。整個安裝過程確保遵循設(shè)計要求，按間距4.5m鉆孔，每個孔深120m，孔徑160mm，每個井占地面積25m2。施工過程中由施工單位做好管線調(diào)查工作，并聯(lián)系原管線單位，避免施工管線與其他管線產(chǎn)生干擾。分水管與集水管分開布置，確保夏天每米井深釋放能量60W，冬天每米井深吸收能量50W。埋管總長度72498.14m，施工時間選定為春末夏初，為保證管道吸收熱量不產(chǎn)生結(jié)冰的危害，管道中加入25%乙二醇試劑進行溫度平衡調(diào)控。設(shè)計采用地埋管系統(tǒng)如圖1所示。

地上管道采用中粗砂敷設(shè)，敷設(shè)前中粗砂必須經(jīng)過篩分，以滿足工程使用要求。同時確保中粗砂內(nèi)不含堅硬雜物，以防刺破管道。管腋部回填中粗砂，同時做好管道層保護措施。在管道頂部50cm范圍內(nèi)禁止使用機械施工，只能人工夯實。

根據(jù)工程現(xiàn)場實際情況和探測分析結(jié)果設(shè)置鉆孔的回填物料及熱物性，鉆孔形成后采用混合物灌漿回填，漿液含量為：10%水泥、15%膨潤土和75%細砂（粒徑滿足要求），在實際施工過程中必須要求漿液導(dǎo)熱系數(shù)大于所鉆孔巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 地源熱泵系統(tǒng)

2.1 概念

淺層地?zé)崮茏鳛樾滦颓鍧嵞茉?，是位于地球表面層的一種新能源[3]。與深層地?zé)嵯啾?，淺層地?zé)崮芫哂虚_采簡便、存儲量大、清潔、便于收集管理等優(yōu)點。施工過程中通常采用水源熱泵、地源熱泵、地表水源熱泵等方式進行綜合利用。使用淺層地源熱泵可以為小區(qū)提供52%～64%的能源供應(yīng)，可以節(jié)約螺桿式風(fēng)冷熱泵機組30%～40%的運行成本和相關(guān)費用。

圖1 地埋管系統(tǒng)

2.2 特點

2.2.1 可再生能源

地源熱泵是將冷熱源與建筑物內(nèi)的能量進行轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。這種能源通常位于地球表面淺層，其溫度低于建筑室內(nèi)溫度，主要可用于室內(nèi)降溫。這種儲存于地表淺層的地位熱能屬于可再生潔凈能源，這也是目前大力開發(fā)的潔凈再生能源之一[4]。當(dāng)前國家大力發(fā)展清潔、可再生能源，地表熱已成為推進能源科技創(chuàng)新的新選擇。

2.2.2 用途廣泛

地源熱泵系統(tǒng)不僅可供暖、供熱，同時也可用于小區(qū)內(nèi)供水，系統(tǒng)功率大，可供絕大多數(shù)居民使用，尤其適合對環(huán)境要求較高的高端小區(qū)。地源熱泵的能源同樣可以用于學(xué)校、醫(yī)院、寫字樓、商場等大型建筑的供能，這種能源的使用不會產(chǎn)生污染性氣體，不會產(chǎn)生次生污染。

2.2.3 管理維修

與傳統(tǒng)空調(diào)相比，地源熱泵在相同使用環(huán)境下，整個居住區(qū)均可降低維護費用，僅前期投入比例較大。地源熱泵系統(tǒng)及其配件主要位于地下，受外界干擾較小，破壞損毀機率較低。傳統(tǒng)暖通空調(diào)安置于室外，受外界環(huán)境影響需定期維護保養(yǎng)。綜合計算，地源熱泵系統(tǒng)維護費較低且使用壽命長，達30年以上，同時，其自動控制程度高，無需安排專人維護。

2.3 地埋管式熱泵系統(tǒng)

2.3.4 熱井式土壤換熱器

目前采用另外一種埋管方式為熱井式土壤換熱器，如圖5所示，特點為簡便、安全、可靠。

通過計算機模擬結(jié)果顯示，在非穩(wěn)態(tài)連續(xù)換熱過程結(jié)束后，4種換熱器周圍土壤溫度不同。雙U形地埋管換熱器管壁土壤溫度最高，套管換熱器管壁土壤溫度最低，單U形地埋管換熱器管壁土壤溫度處于兩者之間。由此可以定性比較3種地埋管換熱器換熱量的大小，最終在該小區(qū)采用了熱井式土壤熱換器埋管，便于更有效利用地下能源。巖土特征因地理分布不同而存在差異，巖土特性決定

圖2 水平式土壤換熱器埋管

圖3 U型式土壤換熱器埋管

圖4 垂直套管式土壤換熱器埋管

圖5 熱井式土壤換熱器埋管

2.3.1 水平式土壤換熱器

水平式土壤換熱器作為常用熱源地泵之一，其水平地埋管埋設(shè)深度及間距均需按設(shè)計要求進行，水平式土壤換熱器布置包括回灌井、回水管、設(shè)備間等[5]（見圖2）。

水平地埋管方式主要用于單相運行狀態(tài)的空調(diào)系統(tǒng)中，水平式埋管深度一般在2～4m，土壤在冬季較長時間內(nèi)處于放熱狀態(tài)，埋管的溝渠深度要適宜，管與管之間的間距要合理。

2.3.2 垂直U型式土壤換熱器

目前常用的為U型式換熱器，其主要原理與水平布置相似。但安裝埋管的土壤換熱器布置流程與步驟存在差異。垂直式是先進行鉆孔，后將U形管深埋于地下，優(yōu)勢明顯（見圖3）。

2.3.3 垂直套管式土壤換熱器

垂直套管式與U型式類似，同樣為垂直布置向下。但這種換熱器內(nèi)套管及外套管形成閉路循環(huán)系統(tǒng)，地下水流可通過套管循環(huán)，管道分為出水管和入水管。整個系統(tǒng)分地上和地下部分，地下部分具有介質(zhì)溶液，地上部分主要為護套、內(nèi)管、出水管及過濾器等（見圖4）。土壤的熱物理性，地?zé)釗Q熱器的傳熱性受巖土特征影響更為關(guān)鍵[6]。由于地區(qū)差異，設(shè)計和安裝地?zé)釗Q熱器過程中將出現(xiàn)不穩(wěn)定因素，進而影響整個小區(qū)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行使用。不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)層、巖土底層中設(shè)置豎直埋管地?zé)釗Q熱器可能會影響傳熱性能，地層不同導(dǎo)致地埋管和地?zé)岜玫氖褂檬艿接绊慬7]。安裝設(shè)計過程中必須對地層地勘結(jié)果進行認真分析，了解該地區(qū)影響換熱器使用的因素。在該項目地源熱泵系統(tǒng)安裝過程中也采用多種儀器進行土質(zhì)及地下情況測定，最終結(jié)果如表1所示。

表1 不同參數(shù)巖土熱物性單位井深換熱量

3 其他節(jié)能管理措施

空調(diào)系統(tǒng)的使用方式不同決定能耗高低，地源熱泵空調(diào)后期的運行管理方式不同，決定了空調(diào)系統(tǒng)的實際運行費用高低。避免能源損耗，有利于削減不必要的開支。

小區(qū)建筑采用墻體保溫技術(shù)，外墻采用新型阻熱玻璃，避免能源損失。建議小區(qū)內(nèi)使用節(jié)能設(shè)備，室內(nèi)使用節(jié)能電器，照明盡量使用LED燈等。中央空調(diào)主機盡量選用能效較高的制冷設(shè)備，使用節(jié)能水泵，中央空調(diào)系統(tǒng)與樓宇自控系統(tǒng)相結(jié)合，遠程開關(guān)、設(shè)定使用。人為設(shè)定合理空調(diào)溫度，使用空調(diào)期間避免開窗透氣等。

根據(jù)小區(qū)內(nèi)供暖要求分析，結(jié)合上海市工程標準中關(guān)于建筑形式、控制標準和外圍護結(jié)構(gòu)特征、周邊氣候條件等要求，制定出切實可行的空調(diào)節(jié)能運行管理措施。經(jīng)濟節(jié)能運行措施應(yīng)包括以下方面。

1）確保設(shè)備在整個使用過程中保持良好運轉(zhuǎn)狀態(tài)，保證功率滿足要求。

2）結(jié)合氣候環(huán)境變化，根據(jù)天氣、室內(nèi)負荷、建筑外圍護結(jié)構(gòu)等情況選定合適的開停機時間，遠程實時控制或通過計算機系統(tǒng)實時操控。

3）收集、調(diào)查室內(nèi)能量負荷、溫度變化及戶外氣候突變等情況，根據(jù)用戶需求進行調(diào)整。

4）定時檢查維修，保障空調(diào)自控系統(tǒng)良好的工作狀態(tài)。

5）做好污水潔凈防護，防止嚴重腐蝕、水體污染物生成及病毒、細菌滋生。

4 結(jié)語

地源熱泵系統(tǒng)不僅可以制熱、制冷，還可為相應(yīng)的小區(qū)或建筑物提供生活熱水，一機多用。只需要使用1套系統(tǒng)就可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的2套裝置或系統(tǒng)。尤其是對于學(xué)校、醫(yī)院等同時有供熱和供冷要求的建筑物，地源熱泵具有較明顯的優(yōu)勢，能節(jié)省大量能源，符合我國建筑節(jié)能發(fā)展趨勢。地源熱泵目前已廣泛應(yīng)用于賓館、居住小區(qū)、公寓、廠房、商場、辦公樓、學(xué)校等建筑，小型的地源熱泵更適合別墅住宅的采暖、制冷。

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有高效、節(jié)能、環(huán)保、綠色等優(yōu)點。隨著科技進步，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)將逐漸產(chǎn)業(yè)化。該項目集中空調(diào)系統(tǒng)采用地源熱泵，最終運行測算得出工程總造價1675.62萬元，后期每年節(jié)省能源開支118萬元。地下熱源不會對周邊環(huán)境產(chǎn)生污染，能源使用具有可靠性保障，值得大力推廣。