淺談地源熱泵、水蓄冷系統工程應用實例

【摘 要】 本文結合工程實例介紹節能環保型空調技術在工程中的應用，并淺析地源熱泵、水蓄冷空調系統的節能、環保原理。 

　　【關鍵詞】 節能；環保；空調系統；地源熱泵；水蓄冷 
　
　　隨著我國國民經濟的發展和人民生活水平的提高，人們對生活及工作環境的要求也在不斷提高?，F如今空調技術已成為現代化建筑*的元素，又因當今人類面臨能源短缺、環境污染兩大難題，因此選用節能環保的空調系統尤為重要，其將帶來一定的社會效益與經濟效益。本文結合具體工程實例，簡單介紹地源熱泵、水蓄冷節能環保型空調系統在工程中的應用。 
　　1 項目簡介 
　　某工程總建筑面積48128m2，其中地下一層，地上七層，夏季空調總冷負荷為5015KW，冬季總熱負荷為3042KW。該工程館藏數量100萬卷以上屬于檔案館，其空調系統按一類省級檔案館標準進行設計。 
　　該工程積極響應國家關于節能減排政策的號召采用可再生、環保的地球淺層地熱能資源作為空調系統的冷熱源。通過地源熱泵冷熱水機組、螺桿式冷水機組加冷卻塔及水蓄冷系統實現供熱與制冷的目的。 
　　2 空調系統 
　　2.1 地源熱泵。地源熱泵是一種利用淺層地熱能源的既可供熱又可制冷的節能系統，其通過輸入少量的高品位能來實現由低品位熱能向高品位能的轉移。因地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能量，相當于人類每年利用能量的500多倍，且其不受地域、資源限制，通過利用這種儲存于地表淺層近乎無限的地熱能使得地源熱泵成為一種可再生能源利用技術。 
　　根據地熱能交換系統形式的不同，地源熱泵系統分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統。本工程選用了地埋管地源熱泵系統，為防止地源熱泵長年運行導致土壤得失熱量失衡，從而影響地源熱泵使用效率，該工程以冬季熱負荷作為地埋管設計依據，夏季多余熱量通過冷卻塔散去。同時根據《江蘇省檔案館遷建工程土壤源熱泵熱效應測試報告》、工程現場條件及工程成本江蘇省檔案館地埋管采用鉆孔埋管與樁基埋管相結合的復合系統，共設地埋管793組：其中鉆孔埋管510組，埋管有效深度58m，樁基埋管283組，利用樁基深度為60m。 
　　因地球淺層土壤溫度全年相對穩定，所以地源熱泵機組運行穩定、可靠，整個系統的維修費用也相對較少。同時夏季土壤溫度比環境空氣溫度低，冬季土壤溫度比環境空氣溫度高，使得地源熱泵機組制冷劑夏季冷凝溫度相對較低、冬季蒸發溫度相對較高，從而使得機組運行、節能，運行成本低。地源熱泵近年來之所以發展如此迅猛，除受國家、地方相關政策的推動外，主要還得歸功于其可再生、節能、運行成本及維修費用低的特性。地埋管地源熱泵空調系統與常規中央空調系統相比在運行費用方面存在明顯優勢，然而初投資費用高成了其普及路上的絆腳石。地埋管地源熱泵空調系統初投資高主要原因有：①現場勘查不詳細可能導致設計時預留量過大，從而引起初投資增加?，F場勘查在地源熱泵系統設計施工中是重要的一個的環節，現場勘查的結果是判斷地源熱泵系統的經濟性的主要依據，同時現場勘查的仔細與否是影響地源熱泵系統初投資的主要原因之一?，F場勘查主要兩方面的含義，一是現場狀況的調查，二是地質勘查。地質勘查的主要目的是確定地下換熱器每延米的換熱量以及地源孔施工的難易程度，從而確定地下換熱器的大小、地源熱泵系統室外埋管部分的施工工藝及預期工期。如果現場情況調查不清楚，就可能會給設計以及將來施工帶來困難，以往實驗表明，地下換熱器單位孔深的換熱量為40～70W/M，范圍較大，為規避風險，一般設計會根據經驗取不利工況設計，地下換熱器總長度設計過大，由此引起的材料費和安裝費用較高，導致地源熱泵系統初投資將明顯高于其它空調系統。②施工管理不嚴格導致初投資過高，因為地下換熱器與土壤之間的換熱主要依靠地埋管和土壤之間的導熱，因此地源熱泵室外地埋管施工工藝和施工管理質量直接影響地下換熱器的運行性能，然而往往施工過程中未嚴格按照施工工藝進行，導致地埋管成孔率低。③鉆孔成本相對較高。 
　　本工程在地源熱泵系統初投資控制方面采取下列措施：①全面的現場勘查，并依據江蘇省綠色建筑工程技術研究中心的關于《江蘇省檔案館遷建工程土壤源熱泵熱響應測試報告》及其補充說明進行設計。②現場施工嚴格按照《地源熱泵系統工程技術規范》GB50366-2005及地源熱泵設計說明進行管理，確保地埋管成孔率，從而達到減少初投資成本的目的；同時因地埋管較為隱蔽，在后道工序施工及交叉作業時極易造成地埋管損壞，所以個人認為施工過程中加強協調管理、作好地埋管路由及埋深標記、成品保護對降低初投資的作用也不容小視。③地埋管采用雙U型（使得在同樣工程條件下，比單U型換熱性能提高15～30%）以及采用樁基埋管與鉆孔埋管相結合的系統，從而減少鉆孔成本。 
　　2.2 水蓄冷。本工程夏季冷負荷遠大于冬季熱負荷，而其又以冬季熱負荷作為地埋管的設計依據，因此僅靠地源熱泵系統勢必造成夏季供冷不足，在此背景之下該工程另選一臺螺桿式冷水機組（配一臺冷卻塔）并結合水蓄冷系統以彌補夏季冷量的不足。 
　　水蓄冷技術是在電力負荷較低的夜間，通過運行冷水機組將冷量以冷水的形式儲存起來，而在電力高峰期的白天，不開或少開冷水機組，充分利用夜間儲存的冷量進行供冷，從而使得冷水機組避峰運行。而往往電力部門實施分時電價，采用蓄冷空調技術并不一定節省電量，但通過電價差可為業主節省運行費用，更重要的是有利于國家電網的安全運行。因此國家將其列為一種節能、環保的技術來大力推廣。 
　　選用水蓄冷系統不僅可以減少前期投資費用，還可以節約運行成本同時凈化環境。首先水蓄冷系統可以利用已選機組進行蓄冷，另選一臺板式換熱器進行釋冷，而板式換熱器成本相對較低，因此減少了設備投資費用；其次水蓄冷系統可利用電網的峰谷電價差，在使主機避峰運行的同時，具有運行可靠、維修費用少、管理簡單等特性，另外其社會效益顯著符合國家產業政策發展方向，通過運用水蓄冷系統可以平衡電網負荷，減少電廠投資，凈化環境。 
　　本工程水蓄冷系統以消防水池作為蓄冷水池（有效容積≥1150m3），總蓄冷量為10700KWH。夜間開啟螺桿式冷水機組配合冷卻塔或地源熱泵機組，機組內制冷劑在壓縮機作用下變為高溫、高壓氣態；之后進入冷凝器，在冷卻水或地下室的作用下形成高壓液態制冷劑；從冷凝器出來的高壓液態制冷劑經膨脹閥節流降壓后進入蒸發器；在蒸發器內低壓液態制冷劑吸收消防水池內水的熱量而汽化；汽化后的制冷劑又重新被壓縮機吸入壓縮，如此周而復始的循環，從而制取3～7℃的低溫水以達到蓄冷的目的。白天消防水池內的低溫水在循環水泵作用下通過板式換熱器換熱制取7℃的冷凍水，而后冷凍水在循環水泵的作用下通過末端設備與房間進行換熱從而實現制冷的目的。（板式換熱器冷側進出口溫度（4℃/9℃），熱測進出口溫度為（7℃/12℃），換熱量為1300KW。） 
　　3 結語 
　　綜上所述，可知本工程運用了當今社會較前沿的空調技術。其空調系統的節能、環保性不言而喻，定能滿足當今社會關于節能、環保、低碳、可持續發展的要求，并將帶來一定的社會效益與經濟效益，同時也將為推動地源熱泵及水蓄冷空調系統的發展做出一定的貢獻。 
　　參考文獻 
　　1 東南大學建筑設計研究院有限公司，暖通設計說明 
　　2 張俊巧.地源熱泵系統優化設計——降低地源熱泵系統初投資的有效途徑.中國制冷學會2007學術年會論文集 
　　3 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊（第二版）下冊.中國建筑工業出版社 
　　4 李洋、曾遠，淺談水蓄冷技術，山西建筑第36卷35期

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