智能化建筑与热泵技术应用

    提到智能化建筑，大家可能首先想到的就是利用各种先进的建筑智能设备加上网络、宽带的建筑就是智能化建筑了。其实，这样一来我们往往忽略了绿色智能化建筑最为重要的也是最应该首先考虑到建筑节能问题。智能化建筑首先必须是低能耗，高舒适度的，其次才是建筑设备的智能化，信息现代化和安全、保卫的智能化。随着人类社会的进步，能源问题日益突出，人类对能源的依赖程度愈来愈高，能源消费量也愈来愈大。能源消费的快速增长是人类进步的重要标志，但同进也对人类社赖依生存的环境也造成了严重的破坏。

    所以说，能源与环境是保证人类社会可持续发展的基础和关键，也是当今世界普遍关注的热点问题。而在我国人均资源占有量与世界平均水平相比，煤炭只有55％，石油是11％，天然气仅为4％。2000年进口石油已占石油消费总量的33％。按此速度到2020年，进口油气的比例有可能达到石油消费总量的50％以上。人均能源资源占有量低，使得这一问题更显得尤为重要。随着我们城市化高潮的来临，每年城市新建建筑面积大约有10亿平方米。

    目前我国建筑能耗约占总能耗的28％。降低能源的消耗，建筑节能首当其冲。如何提高用能水平，减少能源消费给环境带来的污染，改善我们的居住生存环境已经成为迫在眉睫的硬任务。只有采用非传统的高新环境能源技术才能有效解决能源消费对环境造成的严重污染。热泵技术就是这样一种典型环境能源技术。

??热泵不仅仅是一种先进的供能设备和技术，而且也是一种基于热力学原理的解决人类对能源过度消费问题的有效方案，从某种意义上可以说，热泵是我们人类的“第二能源”。这是因为，根据热力学原理，热泵是唯一可以通过消耗一定量的高品位能量（电能）从环境中提取能量，并提高其品味，供人们使用的热力学装置。而环境中的“能量”是无限的。此外，许多低品位的可再生能源环境（大气、地表水和大地）以及城市污水的废热能、等等可再生性能源也只有通过热泵才能得到高效利用。主要优点如下：

?  （1）节能：与直接电采暖相比，节电70%以上；燃气、燃油采暖相比，节省运行费用50%以上。

??（2）环保：热泵工作本身没有燃烧过程，没有燃烧物的排放；

??（3）一机三用，冬季供暖，夏季制冷，还可全年供生活热水。

??（4）节省一次能源，为可再生能源的利用提供手段。

??热泵技术正是因为有了这样显著的特性，应用热泵技术的空调系统，在解决建筑的冷暖供应地同时，可以显著的降低能源的消耗，应用热泵技术开发可再生性能源必将成为建筑节能的重要手段。目前我们应用热泵技术的空调系统主要有空气源热泵空调系统、水环热泵空调系统、地源热泵空调系统。由于其采用的能量来源及使用方式的不同，其节能的效果也各有差异，其中空气源热泵系统由于受到室外气候变化的影响，节能效果较水环热泵中央空调系统和地源热泵中央空调系统较差，地源热泵中央空调系统能够有效的利用可再生性能源而成为最为节能的中央空调系统。本文仅就最为节能的地源热泵中央空调系统作进一步的介绍。

??地源热泵中央空调是一种热泵技术利用地下浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。

??浅层地热资源广泛存在于地下浅层（数百米以内）恒温带中的土壤和地下水里。浅层地能（热）的能量来源主要是靠太阳能。它是低品位（<25℃）的可再生能源。有别于传统深层（<5km）地热能。它基本不受地域和气候的影响。其温度相对恒定，储量巨大，是不应被忽视的新能源。在建筑供暖（冷）用新能源中是最为现实、最为经济、最有前途的能源。浅层低温地能广泛存在于大地近表层的恒温带中，其温度水平略高于当地年平均气候温度3℃左右，在不同地域、不同气候条件下，恒温带中的温度变化不大，相对稳定，所谓低温就是它低于传统地热温泉温度的下限（25℃）。地球南北、春夏秋冬它的温度水平一般在10℃～25℃范围内。

??地源热泵空调系统采取打井和埋设地下换热器等不同的方式搬运和提取浅层地热资源，正是因为有了这样一个稳定的能量来源，通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。从而使其与传统中央空调相比其运行费用仅为其的50～60％。根据地源热泵空调系统所采取能量的方式不同又可以分为开放打井式的地下水源热泵系统和闭合埋管式的土壤源热泵。

??地下水源空调热泵系统是从水井中抽取地下水。将经过换热的地下水通过回灌井把地下水回灌到原来的地下水层。但是，这种系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。并且地下抽出来的水经过换热器后很难再被全部回灌到含水层内，容易造成地下水资源的流失。即使能够把抽取的地下水全部回灌，也还存在怎样保证地下水层不受污染的以及会不会引起流沙塌陷等等问题，这种地下水热泵系统应用也受到许多限制。

??而土壤源热泵空调系统是通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。在冬季供热过程中，流体从地下收集热量，再通过系统把热量带到室内。夏季制冷时系统逆向运行，即从室内带走热量，再通过系统将热量送到地下岩土中。

??因此，地下耦合热泵系统保持了地下水热泵利用大地作为冷热源的优点，同时又不需要抽取地下水作为传热的方式。是更为先进，应用前景更为广阔的地源热泵。是地源热泵的主要发展方向。它是一种真正可持续发展的建筑节能新技术。正逐渐成为地源热泵空调系统的的主体。其主要特点如下：

??1. 高效、节能 该系统的运行方式，使能量输入和输出之比，可达1:4以上。夏季高温差的散热和冬季低温差的取热使得该系统的换热效率很高。因此产生同样冷、热量的时候耗电量相对较低。

??2. 环保零污染 不需要任何形式的锅炉、冷却塔等设备，没有了煤、油及天然气等燃烧排放物污染。地下管路密闭，循环液无任何污染地下水的可能。无室外机不会产生令人不适的热岛效应。

??3. 安全可靠 该系统设备使用寿命长达15年以上，设备性能稳定。无爆炸或燃烧隐患,地下换热器采用高密度聚乙烯塑管,寿命长达50年以上。设备维修简易,费用低廉。地下换热器正常使用条件下无须维护。

??4. 结构简单，一机多用 系统简单清楚，容易与建筑装置相配合，无室外机部件，保持建筑外观美观，无须除霜。一套机组实现供冷、供暖不需任何其他辅助热源。并可根据用户需要提供生活热水，在夏季制冷工况条件下可完全免费享用。

??5. 低运行费用该系统高效、节能的特点，决定了它较低的运行费用。其极少的折旧费和维护费用大大低于传统空调。其供冷和供暖的费用只相当于传统空调制冷和供暖费用的40％～70％。费用节余可使短期收回投资。

??6．布置灵活，繁简由人地源热泵系统有多种实施方案，热泵设备有水－水式机组及水－风式机组。并可根据不同的需要选用整体式或分体式设备。布置方式十分灵活。并可按照用户的要求实现从最简单（起停、供热、制冷三档）到全智能的控制方式．

??近十几年来，尤其是近五年来，地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，其产品和技术已经相当成熟。1998年美国能源部颁布法规，要求在全国联邦政府机构的建筑中推广应用土壤源热泵空调系统。为了表示支持这种节能环保的新技术，美国总统布什在他的得克萨斯州的宅邸中也安装了这种地源热泵空调系统。加拿大政府也出台了在其国内采用土壤源地源热泵空调系统的公共建筑享受25％工程款的政府补贴。在我国，地源热泵空调技术对建筑节能的重要意义已经得到了高度的认识和快速的发展，在《建设部2003年科技成果推广转化指南项目目录》中将节能型土壤热交换器地源热泵冷（热）水供给技术列为第二类建筑节能技术中的第一项（2003014）。因其具备高效节能、环保无污染、系统运行稳定、一机多用应用范围广泛、产品技术成熟等难以替代的优势：必将成为二十一世纪真正意义上的绿色空调系统。

??综上，我们不难看出，利用热泵技术，由其是土壤源地源热泵空调这一绿色空调系统，会极大的减少空调所带来的建筑能耗，从而成为实现真正智能化建筑的一个重要手段。