周姣

（天水師范學(xué)院，甘肅天水 741001）

0 引言

目前我國能源儲備正處于較為緊張的情況之下，而暖通空調(diào)系統(tǒng)作為當(dāng)前建筑當(dāng)中不可或缺的重要部分，在其運(yùn)行的過程中需要消耗大量的能源，在此情況之下，對暖通空調(diào)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)是十分有必要的。而地源熱泵技術(shù)作為一種可再生能源，不僅有較好的穩(wěn)定性，而且節(jié)能作用也十分突出，將其應(yīng)用在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)當(dāng)中能夠有效發(fā)揮其節(jié)能作用。

1 地源熱泵技術(shù)概述

1.1 原理

地源熱泵是一種淺層地下熱能資源，相比傳統(tǒng)燃煤鍋爐供熱形式，地源熱泵不僅有較好的供熱制冷效果，而且其節(jié)能環(huán)保方面也有極大的優(yōu)勢。在實(shí)際應(yīng)用該技術(shù)的過程中，通過輸入少量高品位能源，以此實(shí)現(xiàn)能量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移。在冬天需要供暖的季節(jié)里，通過地源熱泵技術(shù)將土壤中存儲的熱能“提取”出來，用以向室內(nèi)供熱，在夏天需要制冷的季節(jié)里，再將室內(nèi)的熱量導(dǎo)入土壤，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)制冷，而且還能夠通過熱量的轉(zhuǎn)移使地下土壤的溫度始終處于較為均衡的狀態(tài)。正常情況下，熱能都是由高溫轉(zhuǎn)向低溫的，但是在地源熱泵系統(tǒng)中則是由低溫轉(zhuǎn)向高溫，因此該技術(shù)其本質(zhì)實(shí)際上就是一種熱量提升技術(shù)，在土壤中原有溫度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行提溫以此達(dá)到節(jié)能的效果。地源熱泵系統(tǒng)原理如圖1 所示。

1.2 優(yōu)勢

圖1 地圖源熱泵系統(tǒng)

地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢包括以下幾個(gè)方面：①節(jié)能環(huán)保，地源熱泵作為一種地下淺層資源，是一種可再生能源，在實(shí)際應(yīng)用的過程中不會由于這種能源的消耗而給生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重地影響。除此之外，地源熱泵主要來源于大地，通過科學(xué)利用地表淺層地?zé)豳Y源，能夠有效實(shí)現(xiàn)制冷和供熱功能，這種能源對于區(qū)域、時(shí)間方面的限制相對較小，而且其存在的范圍也十分廣泛，為該技術(shù)的應(yīng)用提供極大的便利；最后，地源熱泵技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，極大地降低能源的消耗，即便在實(shí)際運(yùn)行的過程中，需要使用電能等其他能源進(jìn)行輔助，但是地?zé)岜旧砭邆湟欢崃?，因此比傳統(tǒng)電鍋爐加熱形式更節(jié)能，實(shí)際運(yùn)行的費(fèi)用也更少；②運(yùn)行成本更低，不僅其能源消耗較少導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用更少，而且將該技術(shù)的設(shè)備維修次數(shù)以及維修費(fèi)用都相對較少，設(shè)備使用壽命較長，因此該技術(shù)的應(yīng)用成本相對較低；③在進(jìn)行暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的過程中，地源熱泵系統(tǒng)主要設(shè)置在地下，相比傳統(tǒng)設(shè)備，地源熱泵系統(tǒng)受到的環(huán)境影響相對較小，因此空調(diào)運(yùn)行的穩(wěn)定性也就相對更高。

1.3 分類

常用的地源熱泵主要包括以下幾種類型：①土壤源熱泵，該系統(tǒng)是通過將換熱器安置在地下，實(shí)現(xiàn)與大地的熱量交換，在循環(huán)液的作用之下，完成系統(tǒng)和大地之間的熱量傳遞，在供熱季節(jié)，系統(tǒng)會將大地中儲存的熱能帶到空調(diào)系統(tǒng)中進(jìn)行供熱，在制冷的季節(jié)，系統(tǒng)則需要進(jìn)行反向運(yùn)行，將室內(nèi)的熱量帶到地下；②地下水源熱泵，該系統(tǒng)是通過一側(cè)將井中的地下水抽取出來，然后另外一側(cè)會與熱泵機(jī)組連接進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量交換，目前地下水源熱泵主要采用的是雙井系統(tǒng)，其中一個(gè)負(fù)責(zé)抽水，另一個(gè)負(fù)責(zé)回灌，相比土壤源熱泵而言，這種方式不僅占地面積更小，而且成本較低，但是對于水處理有著嚴(yán)格地要求；③地表水源熱泵，其主要的熱量來源是池塘、湖泊等地表水，寒冷地區(qū)氣溫較低，因此適用于閉路系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要問題在于容易受到外界環(huán)境影響[1]。

2 暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)中地源熱泵技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

2.1 工程概況

本文以上海靜安區(qū)一住宅小區(qū)暖通空調(diào)設(shè)計(jì)安裝工程為例，該小區(qū)占地面積一共90 畝，總建筑面積12.3 萬m2。周圍有住宅區(qū)、娛樂區(qū)、商業(yè)區(qū)、學(xué)校等，生活交通都較為便利，基礎(chǔ)設(shè)施健全，因此小區(qū)入住率相對較高，小區(qū)內(nèi)房屋設(shè)計(jì)坐北朝南，空氣流通情況以及光照情況都相對較好。該地區(qū)氣候分明，降雨均勻，溫暖濕潤，7、8 月氣溫最高，平均溫度在35℃以上的約有20d，最低氣溫在0℃左右，時(shí)間為1 月下旬至2 月初期間，寒冷天氣相對較少，通常在3d 左右。

2.2 建筑物周圍環(huán)境勘察

在進(jìn)行暖通空調(diào)設(shè)計(jì)之前，為進(jìn)一步保障設(shè)計(jì)的科學(xué)性以及合理性，需要先對當(dāng)?shù)丨h(huán)境以及周圍情況等進(jìn)行勘察，不僅要保障建筑物的功能完整，還需要了解建筑周圍的地質(zhì)環(huán)境以及水文信息。一方面，要針對該小區(qū)建筑物的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)等進(jìn)行詳細(xì)了解，保障暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的合理性；另一方面，還需要了解建筑面積、當(dāng)?shù)氐牡匦苇h(huán)境、地貌特征以及周圍建筑等，避免受外界環(huán)境因素影響地源熱泵暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)和施工。

2.3 地下巖土熱物性參數(shù)檢測

在應(yīng)用地源熱泵技術(shù)的過程中，其主要應(yīng)用的就是當(dāng)?shù)赝寥?、地表水或者地下水的熱能，因此，為確保后續(xù)地源熱泵換熱器設(shè)計(jì)的合理性，需要對施工場地的地下巖土熱物性參數(shù)進(jìn)行檢測和分析，以此保障后續(xù)設(shè)計(jì)可靠，減少負(fù)荷問題或者設(shè)計(jì)規(guī)模等導(dǎo)致的資源浪費(fèi)。在實(shí)際進(jìn)行檢測分析的過程中，不僅可以通過鉆孔取樣的方式進(jìn)行檢測，還能夠結(jié)合目前已有的地質(zhì)資料等推斷導(dǎo)熱系數(shù)的范圍。除此之外，為進(jìn)一步保障相關(guān)數(shù)據(jù)檢測的準(zhǔn)確性以及可靠性，可以在實(shí)際檢測過程中，借助相應(yīng)設(shè)備按照一定操作把單孔換熱器與恒溫恒流循環(huán)熱源系統(tǒng)連接到一起，并對水流量、進(jìn)出水的溫度及系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等信息進(jìn)行記錄[2]。

2.4 相關(guān)參數(shù)的計(jì)算和分析

在實(shí)際進(jìn)行地源熱泵暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的過程中，需要結(jié)合上述檢測、勘察到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)，此外，還需要對設(shè)計(jì)過程中所需要的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析。需要重點(diǎn)計(jì)算的參數(shù)為冷熱負(fù)荷，冷熱負(fù)荷影響著施工投資預(yù)算，因此準(zhǔn)確計(jì)算冷熱負(fù)荷是十分重要的，此外，在進(jìn)行計(jì)算的過程中，不僅要充分參考建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還需要考慮到周圍環(huán)境影響，此外室內(nèi)照明熱量、人體熱量和濕量的散發(fā)等各種可能影響到室內(nèi)溫度和濕度的因素都需要進(jìn)行合理參考，確保冷熱負(fù)荷計(jì)算的可靠性以及準(zhǔn)確性。

在本工程項(xiàng)目中，按照上海市暖通節(jié)能空調(diào)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)展開計(jì)算。通過對上述影響因素的考量和分析之后，確定在夏季冷功率為60W/m2，總冷功率為 60W/m2×94400m2=5664kW，冬季熱功率為50W/m2，經(jīng)計(jì)算冬季總熱功率為4720kW，結(jié)合實(shí)際情況以及夏季和冬季室內(nèi)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，分別計(jì)算出夏季和冬季單位面積年消耗電能，在通過對各方面考量之后，按照80%計(jì)算，最后得出本工程項(xiàng)目中夏季的總冷功率為4531.2kW，冬季總熱功率為3776.0kW。

除了要對系統(tǒng)總冷熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算之外，還需要對整個(gè)小區(qū)的熱水用量進(jìn)行分析。對小區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該小區(qū)每天每平方米最大用水量為92t，按照658 戶住戶計(jì)算，平均每戶每天熱水用量為139.8L。晚上8~11 點(diǎn)間、早上6~8 點(diǎn)間為熱水消耗高峰時(shí)期。

2.5 空調(diào)主機(jī)的選擇

在選擇空調(diào)主機(jī)的過程中，按照上述計(jì)算得到夏季總冷功率和冬季總熱功率進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)合實(shí)際情況，該工程擬設(shè)置兩個(gè)空調(diào)主機(jī)房。為滿足工程設(shè)計(jì)要求以及用戶需求，選用大型螺桿式土壤源熱泵機(jī)組SM（D）-160LR。

這種熱泵機(jī)組有較強(qiáng)的制冷功能，而且對于土地空間的需求相對較小。在實(shí)際進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，雖然這種熱泵機(jī)組前期投入較大，但實(shí)際上在后期運(yùn)行的過程中，不僅能量轉(zhuǎn)化率較高，而且維護(hù)費(fèi)用相對較低，因此，從整體上來看便于對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行成本控制。在本工程項(xiàng)目中，4 臺熱泵機(jī)組中，三臺投入運(yùn)行，一臺作為備用設(shè)備，以確保空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.6 地埋管設(shè)計(jì)

地埋管熱泵系統(tǒng)主要包括水平式土壤熱喚起、垂直式U 型土壤換熱器、垂直套管式土壤換熱器以及熱晶石土壤熱喚起集中類型。結(jié)合本項(xiàng)目工程的實(shí)際情況和需求，選擇了豎直雙U 型埋管形式，在實(shí)際進(jìn)行安裝時(shí)需要符合以下參數(shù)要求，鉆孔距離4.5m，孔深120m，孔徑160cm，單個(gè)井占地25m2。地上管道部分需要使用粗砂進(jìn)行敷設(shè)，為保障工程質(zhì)量，避免管道破損，需要在敷設(shè)之前進(jìn)行篩分操作，并做好相應(yīng)的保護(hù)措施[3]。

3 結(jié)語

綜上所述，在應(yīng)用地源熱泵技術(shù)進(jìn)行暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的過程中，需要先對周圍環(huán)境進(jìn)行勘察，檢測地下巖土熱物性，然后再結(jié)合實(shí)際情況對系統(tǒng)總冷熱負(fù)荷和熱水用量進(jìn)行計(jì)算分析，最后選擇空調(diào)主機(jī)并進(jìn)行地埋管的設(shè)計(jì)。地源熱泵作為當(dāng)前較為環(huán)保的可再生能源，在節(jié)能減排方面有極大的優(yōu)勢，相信隨著該技術(shù)的應(yīng)用，我國暖通空調(diào)的節(jié)能效果將會得到進(jìn)一步改善。