【摘要】：地源熱泵的使用越來越廣泛，尤其在上海地區。地源熱泵的使用在建筑節能方面有著重要的意義。地源熱泵系統可供暖、空調制冷，還可提供生活熱水，一機多用，一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統，特別是對于同時有供熱和供冷要求的建筑物。地源熱泵有著明顯的優點。不僅節省了大量的能量，而且用一套設備可以同時滿足供熱、供冷、供生活用水的要求，減少了設備的初投資。本文主要結合筆者負責的新江灣成高檔居住社區項目來探討地源熱泵技術的應用及其對上海地區建筑設計中的積極影響。
　　關鍵詞：地源熱泵，節能，環保，綠色
　　引言：
　　隨著我國人民生活水平的提高，人們對室內熱舒適度的要求也越來越高。室內環境不再是“冷在三九，熱在三伏”，而是全年維持在一個舒適的水平上。熱泵由于集供熱與制冷于一機的良好性能，深受人們的喜愛，成為暖通空調領域一顆炙手可熱的新星，異軍突起，發展十分迅速。
　　1. 地源熱泵簡介
　　地源熱泵技術是一種利用淺層地熱資源的既可供熱又可制冷的高效節能的空調技術。由于全年地溫波動小，冬暖夏涼，因此地熱可分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調的冷源，即冬季從土壤中采集熱量，提高溫度后供給室內采暖；夏季從土壤中采集冷量，把室內多余熱量取出釋放到地能中去。地源熱泵主要有以下幾種形式：
　　1)地下水熱泵：為開放系統。該系統占地面積小，非常經濟。它要求保證機組正常運行的穩定水源，溫度范圍在7℃～21℃，需要打井，為保持地下水位需要注意回灌，從而不破壞水資源。
　　2)河湖水源熱泵：為開式或閉式系統。該系統投資小，水系統能耗低，可靠性高，且運行費用低，但盤管容易被破壞，機組效率不穩。
　　3)土壤熱泵：為閉式系統。垂直埋管系統占地面積小，水系統耗電少，但鉆井費用高；水平埋管安裝費用低，但占地面積大，水系統耗電大。地源中央空調系統是一種從土壤資源中提取熱量的高效、節能、環保、再生的供熱(冷)系統。該系統集成熟的熱泵技術、暖通空調技術、配套地埋管技術于一體，在相對穩定的水體溫度下高效、穩定、經濟的運行。地埋管內的循環水吸收土壤中的熱量，地源中央空調系統是由末端系統、水源熱泵系統和地埋管水源水系統三部分組成。為用戶供熱時，地埋管內的循環水吸收土壤中的熱量，水源中央空調系統從地埋管中的循環水中提取低品位熱能，通過電能驅動的水源中央空調主機(熱泵)“泵”送到高溫熱源(即空調水系統)，以滿足用戶供熱需求地埋管內的循環水。為用戶供冷時，水源中央空調系統將用戶室內的余熱通過水源中央空調主機(制冷)轉移到地埋管內的循環水中，通過地埋管向土壤放熱，以滿足用戶制冷需求。地源熱泵是利用了地球本體所儲藏的太陽能資源作為冷熱源，進行能量轉換的冷暖空調系統。地表土壤和水體不僅是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47％的太陽輻射能量，比人類每年利用能量的500倍還多(地下的水體通過土壤間接的接受太陽輻射能量)，而且是一個巨大的動態能量平衡系統，地表的土壤和水體自然地保持能量接收和發散的相對均衡。這使得利用儲存于其中的似乎無限的太陽能或地能成為可能。所以說，地源熱泵是利用可再生能源的一種有效途徑。
　　
　　2.地源熱泵系統的成本分析
　　就筆者所負責的新江灣住宅項目為例，早期在空調系統比選階段，我們就傳統的VRV中央空調系統與節能型的地源熱泵末端毛細輻射空調系統進行了性能和成本對比：
　　 地源熱泵空調 VRV中央空調
　　主機設置 主機設置位置靈活 主機只能設置在通風良好的位置
　　運行效率 冷熱源的溫度穩定，不受外界空氣的變化影響 受外界天氣條件影響大
　　控制系統 不存在結霜問題 冬季溫度過低存在沖霜問題,制熱性能降低
　　環境效益 綠色環保 將費熱氣排向室外，影響室外環境溫度
　　運行費用 比風冷熱泵的運行費節省至少30% Cop值較地源熱泵小，運行能耗高
　　初期投資 約750元/㎡（其中地源熱泵空調冷熱源系統投資約350元/平方米,末端毛細系統投資約300元/平方米,生活熱水系統50元/平方米,設計50元/平方米） 約500元/㎡（含機組及末端風機盤管系統、含設計）
　　雖然一次性投資高昂，但是使用成本相對便宜，維護成本低。系統整體保溫性強，增強能源使用效率,減少傳統能源使用。在”恒溫恒濕”環境中各種設備,家具等使用壽命延長。
　　
　　3.建筑設計中的地源熱泵技術
　　（1）建筑物冷熱負荷及冬夏季地下換熱量計算
　　建筑物冷熱負荷計算與常規空調系統冷熱負荷計算方法相同，可參考有關空調系統設計手冊，在此不再贅述。
　　冬夏季地下換熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤吸收的熱量。可以由下述公式[2]計算：
　　kW（1）
　　kW（2）
　　其中Q1＇——夏季向土壤排放的熱量，kW
　　Q1——夏季設計總冷負荷，kW
　　Q2＇——冬季從土壤吸收的熱量，kW
　　Q2——冬季設計總熱負荷，kW
　　COP1——設計工況下水源熱泵機組的制冷系數
　　COP2——設計工況下水源熱泵機組的供熱系數
　　一般地，水源熱泵機組的產品樣本中都給出不同進出水溫度下的制冷量、制熱量以及制冷系數、供熱系數，計算時應從樣本中選用設計工況下的COP1、COP2。若樣本中無所需的設計工況，可以采用插值法計算。
　　（2）地下熱交換器設計
　　這部分是土壤源熱泵系統設計的核心內容，主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、管長及豎井數目、間距確定，管道阻力計算及水泵選型等。（在下文將具體敘述）
　　（3）其它
　　地下熱交換器設計
　　2.1選擇熱交換器形式
　　2.1.1水平（臥式）或垂直（立式）
　　在現場勘測結果的基礎上，考慮現場可用地表面積、當地土壤類型以及鉆孔費用，確定熱交換器采用垂直豎井布置或水平布置方式。盡管水平布置通常是淺層埋管，可采用人工挖掘，初投資一般會便宜些，但它的換熱性能比豎埋管小很多[4]，并且往往受可利用土地面積的限制，所以在實際工程中，一般采用垂直埋管布置方式。
　　根據埋管方式不同，垂直埋管大致有3種形式：（1）U型管（2）套管型（3）單管型。套管型的內、外管中流體熱交換時存在熱損失。單管型的使用范圍受水文地質條件的限制。U型管應用最多，管徑一般在50mm以下，埋管越深，換熱性能越好，資料表明：最深的U型管埋深已達180m。U型管的典型環路有3種，其中使用最普遍的是每個豎井中布置單U型管。
　　2.1.2串聯或并聯
　　地下熱交換器中流體流動的回路形式有串聯和并聯兩種，串聯系統管徑較大，管道費用較高，并且長度壓降特性限制了系統能力。并聯系統管徑較小，管道費用較低，且常常布置成同程式，當每個并聯環路之間流量平衡時，其換熱量相同，其壓降特性有利于提高系統能力。因此，實際工程一般都采用并聯同程式。結合上文，即常采用單U型管并聯同程的熱交換器形式。
　　2.2選擇管材
　　一般來講，一旦將換熱器埋入地下后，基本不可能進行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學性質穩定并且耐腐蝕。常規空調系統中使用的金屬管材在這方面存在嚴重不足，且需要埋入地下的管道的數量較多，應該優先考慮使用價格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它們可以彎曲或熱熔形成更牢固的形狀，可以保證使用50年以上；而PVC管材由于不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導致泄漏，因此，不推薦用于地下埋管系統。
　　下圖中，作者所負責的上海新江灣4#地塊地源井施工現場，采用的是PE管材的單管型垂直埋管布置，并聯同程）
　　
　　3.地源熱泵在上海新江灣地區運用取得的收益
　　面對嚴峻的能源形勢，地源熱泵技術在長三角尤其是上海地區的推廣應用具有極大的現實意義。地源熱泵比風冷熱泵節能40％，比電采暖節能70％，比燃氣爐效率提高48％，所需制冷劑比—般熱泵空調減少50％。地源熱泵的能量來源于自然能源，它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，是一種理想的綠色空調”。筆者所負責的上海新江灣城4#（江灣、6#、20#項目均采用了這個技術，并但是由于在上海“夏天向地下取冷多，冬天向地下取冷較少”的現實，在系統運行多年后，有可能產生地源熱泵系統效能降低的問題。建議除在系統設計和施工過程中嚴格把關外，需要做好長期后期維護的預案工作。上海目前應用地源熱泵系統的公寓住宅項目“中鷹黑森林”、“一品漫城”等項目居民入住還需要一段時間，相關法律糾紛還未來得及產生。但上海公建和商業項目有運行多年的地源熱泵系統，曾經出現過運行多年后，效能逐漸降低，乃至最后放棄使用該系統的案例，值得我們警醒，應組織法律、物業、設計、工程、營銷等部門共同研究該課題，防患于未然。
　　4、結語
　　地源熱泵技術為我們帶來了巨大的契機，它能夠減少能量消耗，降低環境污染，同時能保證業主空調系統的可靠性和經濟性。根據建設部關于發展節能省地型住宅和公共建筑的指導意見（建科[2005]78號）的要求，發展節能省地型住宅和公共建筑，要研究思考節能省地型住宅和公共建筑的深刻內涵及其之間的辨證關系，認真解決當前的突出矛盾和問題；既要考慮單體建筑，又要考慮城市或區域的統籌規劃和總體布局；既要考慮新建建筑的“四節”，又要研究不同歷史時期不同性質的既有建筑的節能節水問題，注重降低建筑建造和使用過程中總的能源資源消耗。由于地源熱泵技術獨特的優勢，必將引起廣大用戶、科技人員以及政府部門的高度關注。綜合以上的分析，我們認為地源熱泵技術在中國有廣闊的市場前景。
　　參考文獻
　　[1]李新國.地源熱泵—供暖空調節能環保技術.節能與環保[J].2001，(2).45-46
　　[2]梁曉華.地源熱泵空調的應用設計.企業導報•上半月[J].2010，（8）.34-36