地源热泵技术在别墅中的应用

地源热泵技术在别墅中的应用
李向军1  王梦婷2
     （1北京维拓时代建筑设计有限公司；2.北京达源科创科技有限公司）

摘 　要：本文介绍了地源热泵的工作原理和基本类型; 结合工程应用，比较了地源热泵系统与普通空调系统的特点,得出地源热泵在技术上和经济上具有明显优势的结论；指出其在中国的发展前景。
关键词：地源热泵  应用  节能

    随着现代社会的高速发展，人们对居住环境的舒适度和节能的要求越来越高。别墅作为一种高档住宅越来越多的出现在我们的身边，在其中的各类设施中，中央空调是很重要的部分，直接影响楼盘的销售和以后业主的生活。高档别墅对其中央空调系统有着较高要求：稳定、环保、节能。
(1)室内空气品质应满足高标准的温、湿度要求，这就要求在不同室外工况下系统拥有持续稳定的冷、热源；
(2)室内、外环境应宁静宜人而且应合理配合装潢及视觉要求，确保美观。
(3)真正适合高档别墅的空调方案应同时在技术性能、运行成本、维护管理等方面具有相对的优异性，并应兼具创新及绿色环保概念。
    由于别墅具有鲜明的使用独立性，而且很多别墅主人往往将其作为第二居所，可能长时间停止室内的正常供冷和供暖，因此对于别墅小区类项目来说，集中的冷热源会出现使用率低、管网平衡难以调节等问题；因此越来越多的别墅项目是以单栋为单位，设置独立冷、热源的户式中央空调系统，用户可以根据需求开启和调节，即开即用，方便灵活。

1．别墅的户式中央空调系统常见形式有以下几种：

1.1 风冷（热泵）冷水机组+风机盘管：
此为传统方案，已发展的比较成熟，采用自动化变频控制，可以实现全面调节运行。
1.2 风管式户式中央空调（风道机）
此种方式是通过风管将冷风或热风送入室内。室内机组不是风机盘管而是一种管道空调机。
1.3 变制冷剂流量系统
以VRV为代表的空调系统，可以根据室内负荷大小自动调节制冷制热量，具有较好的节能效果，室内机形式也比较多样化。这种系统形式较为灵活。但是以上三种形式的系统有以下几种弊端：
(1)由于都属于空气源热泵的范畴，所以都必须设置室外机——除了要寻找合适的摆放位置外，还不可避免的产生噪音的问题，对住户和小区的视听环境都会产生一定的影响。
(2)在北方地区应用以上系统还有一个更麻烦的问题，那就是冬季室外气温低的时候，热泵的效率很低，一般的空气源热泵在零下五度以下能效就比较差了，所以冬季必须有其他辅助加热措施，而且可能要除霜。
(3)对于大多数长期生活在北方的人来说，要在漫长的冬季使用空调是非常不适应的，甚至是根本不能接受的。北方地区的高档住宅冬季采暖大都采用比较舒适的低温地板辐射采暖系统，也就是说冬季必须有稳定的热源。所以采用以上几种空调系统的别墅大都另配了燃气采暖炉供冬季使用。

2.地源热泵中央空调系统介绍

    地源热泵供热空调系统是一种高效节能、环保型的系统，主要分土壤源热泵系统、地下水热泵系统和地表水热泵系统3种形式。
2.1 地下水热泵系统分为开式、闭式两种：开式是将地下水直接供到热泵机组，再将井水回灌到地下；闭式是将地下水连接到板式换热器，机组侧需要二次换热。
2.2 地表水热泵系统的管路形式与土壤源热泵系统相似，用潜在水下并联的塑料管组成地下水热交换器替代土壤热交换器。虽然采用地下水、地表水的热泵系统的换热性能好，能耗低，性能系数高于土壤源热泵，但由于地下水、地表水并非到处可得，且水质也不一定能满足要求，所以其使用范围受到一定限制。国外（如美国、欧洲）主要研究和应用的地源热泵系统以及我国理论和实验研究的重点均是土壤源热泵系统。
2.3 土壤源热泵，是一种以土壤作为低温热源的热泵，它利用水或一些特定的防冻液作为中间介质，通过地埋换热器，在夏季把地下的冷量“吸取”出来，供制冷用；冬季，把地下的热量“吸取”出来，供采暖用。由于地下土壤温度变化很小，并且有一定的蓄热作用，换热器不需要除霜。我们知道地温变化相对于气温有一定的延迟与衰减，当室外温度较低时， 要供需给室内较多的热量，而土壤温度此时高于气温，而当2-3月份时，虽然土壤温度降到了最低，但此时需要的供热量比最冷月要少，因而以土壤作为冷（热）源既有利于夏季空调运行时向地下放热，也有利于冬季供暖运行时从地下吸热。

3.土壤源热泵与普通中央空调方式的比较

3.1  主机设置，对于普通中央空调系统，若采用风冷热泵作为主机，则主机必须要与外界通风良好，一般是置于屋顶或地面，这使得此类主机在别墅领域的应用严重受限。而土壤源热泵主机的设置就非常灵活，可以设置在建筑物内部的任何位置。若设置冷水机组＋锅炉进行制冷、供热，冷却塔和锅炉的位置就更受限制。因此，就主机设置的灵活性而言，地源热泵系统是非常灵活的。

3.2  运行效率，对于普通中央空调系统，不管是采用风冷热泵机组还是采用带冷却塔的冷水机组，无一例外的要受外界天气条件的限制，即用户区越需要供冷或供热时，主机的供冷量或供热量就越不足，即运行效率下降，这使其在夏热冬冷地区的使用受到了影响。而土壤源热泵机组与外界的换热是通过地下岩土体——其温度很稳定，不受外界当时天气的变化而影响运行效率，因此，土壤源热泵的运行效率较高。
3.3  经济方面，地源热泵系统还可以集采暖、制冷和提供生活热水于一身。一套系统可以替换原有的供热锅炉、制冷和生活热水加热的三套装置或系统，从而增加了经济性。
3.4  环境保护， 从土壤源热泵的整个运行原理来看，它是真正意义的绿色环保空调，不管是冬季还是夏季运行，都不会对建筑外大气环境造成不良影响。而普通中央空调系统，将废热气或水蒸气排向室外环境，无一例外的都对环境造成了污染。以地球浅层岩土作为冷热源，符合可持续发展的战略要求。
3.5  运行费用， 地源热泵系统在运行中的节能特点也是显而易见的：额定工况下，地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW左右的热量或冷量。其制冷、制热系数可达4以上，与传统的空气源热泵相比，要高出40%，其运行费用为普通中央空调的50～60％。要达到相同的制冷制热量，土壤源热泵主机的输入功率较小，即运行费用较低，在全年使用的场所，这种效果尤为明显。地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能；锅炉只能将70～90%的燃料化学能转为热量，因此比燃料锅炉节省约二分之一的能量。
3.6  无需除霜。大地土壤温度一年四季相对保持恒定，冬季也能保持在 15℃ 以上，埋地换热器不会结霜，可节省因除霜而消耗的能量。
3.7  系统简单。一机多用，节约设备用房，应用范围广。地源热泵可供暖、空调，还可用于生活热水供应系统，一套系统可替代锅炉加冷水机组两套系统，又由于机组外形紧凑，因此一机多用，节省了建筑空间及设备的初投资，由此而产生的经济效益相当可观。

4.工程实例

4.1  工程概况
本工程是由中国希格玛集团有限公司在中国北京发展的新型老年社区，建设单位及设计单位均力争将本社区打造成为绿色、环保、适宜退休人员居住的典范工程。该项目已是建设部评定的2A级住宅。
    该社区位于北京东北约50公里的顺义潮白河畔，占地234公顷，总建筑面积79万平米，分三期建设，目前第一、二期已投入使用，三期正在建设中。该社区可以容纳1.2万人居住，包括公寓，联排别墅及独立别墅的居住建筑，以及为社区服务的配套公共服务中心建筑。
    东方太阳城所处地区市政条件匮乏，既无市政燃气管道，也无城市热网，对于采暖，空调系统的冷源如何设置，是我们设计中重点探讨研究的课题，通过技术经济分析比较及深入细致的调查研究最终决定：在二期的独立住宅项目中采用土壤源热泵技术。见图1,2.
    二期独立住宅是由115户（户型为：H1～H6）别墅及7户四合院构成，总建筑面积3.82万平米。各户设独立的土壤源热泵机组作为其空调系统冷热源。
4.1.1  主要技术经济指标（H5户型为例）
建筑面积：377平米
夏季设计冷负荷：19.6KW     夏季设计热负荷：20.1KW
热泵机组：ILA120型  1台
钻孔数量：5个； 井深：80米；换热管为双U布置的PE管材。
空调系统投资：300元/平米
4.1.2   优、缺点：
    环保性 —— 与燃煤锅炉相比，可大量减少污染物的排放，保护大气环境。
    技术成熟性 —— 目前国内、外已有大量成功实例，节省运行费用。
    存在的问题：机房布置应合理，留有合适的维修空间。尚待研究解决的问题：地质结构、不同深度地温的关系；单位管长换热量及其变化规律；冬夏季取、排热量不平衡问题等。
    该系统正式投入运行时间为2004年1月，经过4年多的运行，系统工况及室内温度均能满足设计要求。

图1地源热泵系统原理图

 
4.2  运行参数
对某栋住宅进行测试，冬季测试时间：2005年2月，室外最低温度：-8℃ ；夏季测试时间：2005年7月，室外最高温度：32℃。
4.2.1 冬季运行：
系统水出口温度：44.3 ℃
系统水回水温度：40.0 ℃
井水出水温度：3.4 ℃
井水回水温度：5.9 ℃
4.2.2  夏季运行：
系统水出口温度：7.6 ℃
系统水回水温度：12.0 ℃
井水出水温度：25.0 ℃
井水回水温度：28.6 ℃
4.2.3  运行温度记录：
起居厅：  冬季温度：23 ℃  夏季温度：24 ℃
主卧室：  冬季温度：22 ℃  夏季温度：25 ℃
主卫：    冬季温度：22 ℃  夏季温度：25 ℃
次卧：    冬季温度：22℃  夏季温度： 25 ℃
次卫：    冬季温度：22 ℃  夏季温度：25 ℃
书房：    冬季温度：22 ℃  夏季温度：25 ℃
4.3  运行费用：
冬季：14.3元/平方米
夏季：13.4元/平方米   
冬夏合计：27.7元/平方米

5.结论

    综上所述，设计合理的地源热泵系统，用一份电可制造4份以上的热量, 其中三份的热量来于大地，大大降低了运行费用；绿色环保： 系统运行时无任何大气污染物排放问题,属真正环保的空调方式；系统运行平稳，寿命长、控制较简单；系统主要部分安装于室内及地下，避免恶劣环境，地下部分可用50年，机组使用寿命在15年左右。
    在国家节能政策的推动下，地源热泵系统在国内得到了迅速发展。但是，由于我国的地源热泵系统的实际经验还不成熟：在实际工程中设计单位可能还会遇到一些技术以外的问题，以及建设方的运行管理水平，这些因素均会对地源热泵系统的设计运行造成阻碍。要使地源热泵走上有序轨道，必须从工程的设计、施工、运行管理等方面加以注意。
5.1  必须合理确定设计负荷，否则将导致地源热泵地下换热器的设计不合理，导致其运行不正常，这是设计单位和建设方均应共同注意的问题。
5.2  施工过程中，应尽量满足设计要求，特别是地下换热系统。若有更改，设计单位必须进行全面分析，监理单位要按照设计单位的要求对施工单位进行质量监督。
5.3  建设单位应注意系统的节能运行管理。
5.4  太阳能系统+地源热泵系统的复合系统，具有良好的技术性和经济性，增加的初投资在系统寿命内都可以得到回收。
    地源热泵中央空调系统作为一种节能环保的空调方式，在欧洲和北美各地被广泛应用几十年。在我国，由于地源热泵系统室外埋管技术含量高，初投资较大，并且受一些地质条件的限制，所以应用不多。但它能够克服传统热泵空调技术中的一些局限与不足，具有现实意义。我们相信随着技术的不断成熟和政府补贴政策的出台，地源热泵空调系统将会凭借着自身优势在我国蓬勃发展。

注：本文为《地源热泵》杂志专稿内容，转载请注明“中国地源热泵网”。