地源热泵新技术在建筑节能中的应用体现
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摘要：地源热泵技术是一种利用可再生清洁能源的新技术，能够在建筑节能领域中发挥重要作用，应引起足够的重视和大力推广应用。本文选取某生态小区办公楼为实例，系统概述了地源热泵技术的工作原理和节能本质，并对其发展前景进行了展望。
关键词：地源热泵，节能本质，节能应用
1 引言
人们为追求舒适的生存环境，无节制地利用能源，使得建筑耗能不断增加，导致进入21世纪后我国的建筑能耗增速逐年提高。若不对此加之制止和防范，必将会导致我国能源短缺局面的加速到来。因此，如何合理利用不同形式的能源，满足日益增长的建筑能耗需求，已成为摆在我们面前亟待解决的关键课题。当前，获得可再生、清洁、廉价和普遍存在的能源不仅是全世界的理想，更是人类共同追求的一个目标。随着地源热泵技术的出现及其进一步发展与完善，使得这一梦想成为了可能。作为一种利用可再生清洁能源的新技术，地源热泵技术理所当然值得给予特别的关注，并且应因地制宜地大力推广。
2 地源热泵技术的节能原理
2.1 工作原理
地源热泵技术是指利用可再生的浅层地热能和地表热能，实现建筑夏季空调、冬季采暖及全年热水供应的新型节能技术。为便于理解其工作原理，并与其他方案形成鲜明对比，以房屋采暖需要10kWh的热量作为比较基础。
通常来说，电动压缩式热泵是消耗电能，得到热能。其供热效率用性能系数COP表示，即为热泵机组提供的热量与机组耗电量的比值。一般地源热泵系数大于3.0，即消耗1kWh的电能，可以得到3kWh以上的供热用热能。然而，大多数燃煤火力发电站的效率只有35%左右，加上输配电过程中会存在一定的损失，所以会导致供电效率更低。
考查不同供热方案的能量利用效率可以用一次能源利用率(PER)作为指标，即所得热能与消耗的一次能源之比。对于热泵方案，PER等于COP与供电效率的乘积。除此之外，还可用季节性能系数SPF来评价地源热泵系统的性能。SPF是指整个供热季节内，性能系数COP的平均值。由于在地热和热分配系统中不可避免地存在着热损失和动力消耗，因此在进行计算和比较热泵效率指标时，应区分其是对整个系统而言，还是指热泵机组本身。
2.2 节能本质
能量和质量的评价，将从能量转换的更深层面上去理解地源热泵的工作原理，进而明确节能的真正意义。热力学认为，衡量能量品味的最佳方法即能量可否转化为功。热力学第二定律中指出，在任何能量的转换中，有用能被认为是能量的最好状态，但其实际上总是在不断减少。有用能不仅与自身的温度有关，还受周围环境温度的影响。只有当周围环境温度高于热流的温度时，有用能才能体现出较大价值。热力学第二定律为能源系统的设计提供了一个重要依据，即必须承认能量是有价值的。因为人们需要的是能够提供纯粹有用能的燃料，而且有用能必须能得到最大限度的利用。因此，节约能量真正意义上是节约有质量的能量。
3 地源热泵技术应用实例
对于中高温热泵这种广义或特殊的地源热泵技术，由于可以直接回收利用低温地热水、地热尾水、油田含油污水和其他各种温度(30-60℃)的中低品味工业余热，用于普通工业加热和建筑采暖，从根本上解决了此类余热资源不能被热泵机组直接回收利用的现状。为此，本文选取工程实例――某生态小区办公楼，对其的实际应用进行详细概述。
(1) 工程建筑特点。该生态小区综合办公楼是小区管理人员日常工作的场所，楼内的大多数房间都是会议室和办公室，一楼设置有机房。总占地面积约2291m2，建筑面积3715 m2，工程结构为钢筋混凝土框架形式，主体四层。该办公楼是按照我国建筑节能工作的第二阶段(节能50%的目标)进行设计的，在建筑物围护结构的保温隔热性能、窗户的隔热、保温和密封性及建筑结构合理性、朝向等方面注重了优化设计，如墙体采用国墙塑合中空内模水泥板体系；墙体保温层使用加厚聚苯乙烯保温板材料，隔热和保温效果高于二步节能的要求；窗采用多功能开启方式，可根据不同通风要求选择开启形式；窗体玻璃采用中空玻璃，隔热、隔声效果好。
(2) 地源系统特征。地埋管换热器采用桩埋管、垂直竖井地埋管与水平地埋管相结合的方式，组成两套地源热泵系统，以分别满足日常与节假日办公楼的采暖、空调需求。冬季井埋管的进水温度为8.2℃，流量为28.7m3/h；桩埋管的进水温度为8.23℃，流量为23.8 m3/h；取热量128.6kW；夏季进埋管的进水温度为29.7℃，流量为41.1m3/h；桩埋管的进水温度为28.3℃，流量为23.1m3/h；排热量为253.3kW。针对该系统设计水源热泵机组，系统考虑了压缩机与两个换热器的匹配、多项安全保护措施、全自动运行控制等，并配有自动数据采集和计算机监控系统。
(3) 运行维护和系统经济性。该系统自建成到现在一直处于良好的工作状态。从采集到的温度来看，各种地源参数均符合运行设计要求，未出现需要维修的迹象。
地源热泵系统的初投资高于锅炉，但由于地源热泵可实现一机两用，夏可空调、冬可供热，因而总的初投资要低于“锅炉+单冷空调”两套系统的投资。其中水平埋管式系统的总初投资低于锅炉加空调系统的初投资，而垂直埋管式系统的初投资则比锅炉加空调系统的初投资略高或大体持平。
实际计算得出的综合办公楼地源热泵采暖空调系统的运行费用为：夏季13.35元/m2，冬季14.29元/m2。对既需要采暖又需要空调的场所，在我国现有能源价格条件下，综合考虑净现值、收益率和投资回收周期等因素，与燃烧锅炉或天然气加单冷空调方案相比，地源热泵方案具有较强的经济竞争力。
4 地源热泵技术的发展前景展望
从世界各发达国家几十年的利用经验来看，几乎可以肯定的一点是，只有政府把地源热泵的应用纳入到环保政策和能源利用计划中，并且电力部门充分认识到地源热泵对削弱电网尖峰负荷的作用时，才有可能使地源热泵得到蓬勃发展。我国能否成为地源热泵的利用大国，跨越发到国家先使用空气源热泵，后大力发展地源热泵的过程，最关键的不仅仅是技术，更为重要的是政策和电力部门的认识水平。
总的来说，地源热泵作为适应市场需求的新方式，在适用的条件下，它还是能够在建筑节能领域中发挥重要作用的，应用前景值得期待。
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