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摘要：在工程实施过程中,生态住宅涉及的技术体系极其庞大,包括能源系统 新能源与可再生能源的利用 、水环境系统、声环境系統、绿化系统、废弃物管理与处置系统、游憩系统和绿色建材系统等。本文介绍了绿色生态住宅设计中的暖通新技术--地源热泵空调系统。
关键词：绿色；生态住宅；暖通；地源热泵
Abstract: In the process of project implementation, ecological residence regarding technical system very large, including the energy systems of new energy and the use of renewable energy, water environmental system, sound environment system, green system, waste management and disposal system, open system and green building materials system, etc. This paper introduces the green ecological housing design of hvac new technology--the ground source heat pump air conditioning system.
Key Words: green; ecological residence; hvac; ground source heat pump
中图分类号：[F287.8] 文献标识码：A文章编号：
目前,世界各国的生态住宅可谓方兴未艾 ,从可持续发展住区的市场观出发 ,发展生态建筑在我国也必然是大势所趋。作为国家的重要产业 ,城镇住宅建设正快速发展。所以,如果不抓住时机 ,及时把 “生态理念”引人到住宅设计中,解决住宅节能和住区环境保护问题 ,则会对社会、经济、环境产生不可挽回的后果。生态住宅设计 ,指的就是综合运用当代建筑学、
建筑技术科学、人工环境学、生态学及其他科学技术的综合成果 ,把住宅建成一个小的生态系统,为居住者提供舒适、健康、环保、高效、美观的居住环境的一种设计实践活动。这里所说的“生态”决非一般意义的绿化 ,而是一种对环境无害而又有利于人的工作生活的标志。
在工程实施过程中,生态住宅涉及的技术体系极其庞大,包括能源系统 新能源与可再生能源的利用 、水环境系统、声环境系统、绿化系统、废弃物管理与处置系统、游憩系统和绿色建材系统等。本文介绍一种环保、绿色的空调系统一地源热泵空调系统。
一、地源热泵背景现状
地源热泵技术最先开始于 1912 年, 瑞士 Zoelly 提出了“地热源热泵“的概念。1946 年美国开始对地源热泵进行系统研究, 在俄勒冈州建成第一个地源热泵系统, 运行很成功, 由此掀起了地源热泵系统在美国的商用高潮。
我国自 20 世纪 50 年代起天津大学等单位开始了热泵研究工作,但其发展缓慢。直到 80 年代初, 为了利用低品位能源和回收大量工业余热,热泵在各个领域的研究逐步形成热潮, 热泵技术得到较快的发展,并有了初步的成效。1983 年, 在北京召开了中国制冷学会低位热泵与热泵技术会议, 发表了我国在这方面的研究成果, 并指出必须进一步探讨通过热泵提高能源利用率。1990 年,天津大学热能研究所研制了变电站中利用调相机冷却水为低位热源的热泵供热和空调系统, 供热性能系数达 3. 02。同时,我国积极开展对新型热泵的研究与试制。
二、地源热泵原理
地源热泵, 就是把传统空调的冷凝器或蒸发器直接埋入地下,使其与大地进行热交换, 或是通过中间介质( 通常是水) 作为热载体, 使中间介质在封闭环路中通过大地循环流动, 从而实现与大地进行热交换的目的。也就是说, 地源热泵是以大地为热源对建筑物进行空气调节的设备。冬天通过热泵将大地中低位热能提高品位对建筑供暖, 同时储存冷量,以备夏用;夏季通过热泵将建筑内的热量转
移到地下,对建筑进行降温, 同时储存热量, 以备冬用。夏热冬冷地区供冷和供暖天数大致相等, 冷暖负荷基本相同, 用同一系统, 可以充分发挥地下储能的作用。热泵装置工作原理与制冷机相同, 都是按照逆卡诺循环工作的, 所不同的只是工作温度范围不同(工作原理见图 1, 系统图见图 2) 。图1中,T a是环境温度; To 是低温物体的温度; Th 是高温物体的温度。a表示热泵装置, 它从环境中吸取热量传递给高温物体, 实现供热目的; b 表示制冷机, 它从低温物体吸取热量传递给环境, 实现制冷目的; c表示供冷供热联合循环机, 它从低温物体吸热, 实现制冷,同时又把热量传递给被加热的物体, 实现供热的目的。
根据热力学第二定律, 当以高位能作补偿条件时, 热量可以从低温物体转移到高温物体。因而热泵循环中, 为了向被加热的物体供热 Q,要消耗功 W 。按热泵驱动的形式,可把常见的热泵分为四种: 1) 机械压缩式热泵; 2) 吸收式热泵; 3) 蒸汽喷射式热泵; 4) 热电热泵。
三、地源热泵应用方式及适用性
地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类 ,从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。
家用系统：用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应 ,多用于小型住宅 ,别墅等户式空调。
集中系统：热泵布置在机房内,冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。
分散系统：用中央水泵 ,采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源 ,用户单独使用 自己的热泵机组调节空气。一般用于办公楼、学校、商用建筑等,此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上 ,便于计量 ,适用于目前的独立热计量要求。
开式系统需水量大 ,可用的水源可能受到限制 热泵的传热效率受到悬浮物、腐蚀性物质 ,水垢 ,细菌微生物 ,特别是需要高功率的水泵 泵的能耗会非常大 如果需要回灌井 ,费用将十分高昂。
直接膨胀式虽然高效,不需要循环泵。但为了有效的换热面积需要大型管沟 ,由于大树根系会损坏盘管 ,因此铜管不能埋在大树附近；压缩机油路系统较复杂，有渗漏危险，安转要求和费用高 ，需要更多的制冷剂。
四、地源热泵特点
1、属经济有效的节能技术
地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定 ,冬季比环境空气温度高 ,夏季比环境空气温度低 ,是很好的热泵热源和空调冷源 ,这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40% 左右。另外 ,地能温度较恒定的特性 ,使得热泵机组运行更可靠、稳定 ,也保证了系统的高效性和经济性。
据世界环境保护组织EPA 的一份有关空调未来的报告所得出的结论：地源热泵技术在为家庭居民带来舒适、可靠和高效节能的同时 ,将成为降低国家能源消耗和环境污染的一个主要力量。据EPA估计 ,设计安装良好的地源热泵 ,平均来说, 可以节约用户30%一40%的供热制冷空调的运行费用。
2、环境效益显著
地源熱泵的污染物排放 ,与空气源热泵相比,相当于减少40%以上 ,与电供暖相比,相当于减少70% 以上 ,如果结合其它节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂 ,但比常规空调装里减少25% 的充灌量；属自含式系统 ,即该装置能在工厂车间内事先整装密封好,因此 ,制冷剂泄漏机率大为减少。该装置的运行没有任何污染,可以建造在居民区内,没有燃烧 ,没有排烟 ,也没有废弃物 ,不需要堆放燃料废物的场地 ,且不用远距离输送热量。
3、属可再生能源利用技术地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地衰浅层是一个巨大的太阳能集热器 ,收集了47%的太阳能量 ,比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制 ,真正是量大面广、无处不在。
这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源 ,使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。
4、一机多用 ,应用范围广 ,地源热泵系统可供暖、空调 ,还可供生活热水 ,一机多用 ,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统 ,可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑 ,更适合于别墅住宅的采暖、空调。此外,机组使用寿命长 ,地源热泵机组的寿命比风冷热泵机组长 ,一般可达20年 埋地管道如果施工正确,寿命可达50年。机组紧凑、节省空间,维护费用低 自动控制程度高 ,可无人值守。
地源热泵是目前可用的对环境最好和最有效的供热制冷系统,比其他空调、采暖系统节省能源40%以上。使用绿色能源一地能 ,可实现夏季制冷 ,冬季供暖 ,并能够独立计费。符合建设部颁布的《绿色生态住宅小区建设与技术导则 》中的要求。
参考文献：
[1] 昝拓荒,魏东杰. 绿色建筑中的暖通空调技术[J]. 中国建设信息供热制冷, 2010,(01) . [2] 张莉,李尧,朱玉明. 暖通空调节能设计分析[J]. 山西建筑, 2010,(09) . [3] 钱济雄. 浅析暖通空调系统的节能[J]. 山西建筑, 2010,(03) . [4] 关达可,朱栋华. 暖通空调计算机控制系统设计[J]. 大众科技, 2010,(01) . [5] 林忠. 暖通空调设计与节能[J]. 中小企业管理与科技(下旬刊), 2010,(10) . [6] 袁清. “低碳经济”背景下暖通空调产业的嬗变[J]. 中国建筑金属结构, 2010,(02) .
作者简介：夏颖，天津港津建筑设计工程有限公司，
性别：女出生年月：1980年9月籍贯：河北省卢龙县学历：硕研
研究方向：室内环境控制及模拟研究，暖通空调新技术。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：绿色；生态住宅；暖通；地源热泵
Abstract: In the process of project implementation, ecological residence regarding technical system very large, including the energy systems of new energy and the use of renewable energy, water environmental system, sound environment system, green system, waste management and disposal system, open system and green building materials system, etc. This paper introduces the green ecological housing design of hvac new technology--the ground source heat pump air conditioning system.
Key Words: green; ecological residence; hvac; ground source heat pump
中图分类号：[F287.8] 文献标识码：A文章编号：
目前,世界各国的生态住宅可谓方兴未艾 ,从可持续发展住区的市场观出发 ,发展生态建筑在我国也必然是大势所趋。作为国家的重要产业 ,城镇住宅建设正快速发展。所以,如果不抓住时机 ,及时把 “生态理念”引人到住宅设计中,解决住宅节能和住区环境保护问题 ,则会对社会、经济、环境产生不可挽回的后果。生态住宅设计 ,指的就是综合运用当代建筑学、
建筑技术科学、人工环境学、生态学及其他科学技术的综合成果 ,把住宅建成一个小的生态系统,为居住者提供舒适、健康、环保、高效、美观的居住环境的一种设计实践活动。这里所说的“生态”决非一般意义的绿化 ,而是一种对环境无害而又有利于人的工作生活的标志。
在工程实施过程中,生态住宅涉及的技术体系极其庞大,包括能源系统 新能源与可再生能源的利用 、水环境系统、声环境系统、绿化系统、废弃物管理与处置系统、游憩系统和绿色建材系统等。本文介绍一种环保、绿色的空调系统一地源热泵空调系统。
一、地源热泵背景现状
地源热泵技术最先开始于 1912 年, 瑞士 Zoelly 提出了“地热源热泵“的概念。1946 年美国开始对地源热泵进行系统研究, 在俄勒冈州建成第一个地源热泵系统, 运行很成功, 由此掀起了地源热泵系统在美国的商用高潮。
我国自 20 世纪 50 年代起天津大学等单位开始了热泵研究工作,但其发展缓慢。直到 80 年代初, 为了利用低品位能源和回收大量工业余热,热泵在各个领域的研究逐步形成热潮, 热泵技术得到较快的发展,并有了初步的成效。1983 年, 在北京召开了中国制冷学会低位热泵与热泵技术会议, 发表了我国在这方面的研究成果, 并指出必须进一步探讨通过热泵提高能源利用率。1990 年,天津大学热能研究所研制了变电站中利用调相机冷却水为低位热源的热泵供热和空调系统, 供热性能系数达 3. 02。同时,我国积极开展对新型热泵的研究与试制。
二、地源热泵原理
地源热泵, 就是把传统空调的冷凝器或蒸发器直接埋入地下,使其与大地进行热交换, 或是通过中间介质( 通常是水) 作为热载体, 使中间介质在封闭环路中通过大地循环流动, 从而实现与大地进行热交换的目的。也就是说, 地源热泵是以大地为热源对建筑物进行空气调节的设备。冬天通过热泵将大地中低位热能提高品位对建筑供暖, 同时储存冷量,以备夏用;夏季通过热泵将建筑内的热量转
移到地下,对建筑进行降温, 同时储存热量, 以备冬用。夏热冬冷地区供冷和供暖天数大致相等, 冷暖负荷基本相同, 用同一系统, 可以充分发挥地下储能的作用。热泵装置工作原理与制冷机相同, 都是按照逆卡诺循环工作的, 所不同的只是工作温度范围不同(工作原理见图 1, 系统图见图 2) 。图1中,T a是环境温度; To 是低温物体的温度; Th 是高温物体的温度。a表示热泵装置, 它从环境中吸取热量传递给高温物体, 实现供热目的; b 表示制冷机, 它从低温物体吸取热量传递给环境, 实现制冷目的; c表示供冷供热联合循环机, 它从低温物体吸热, 实现制冷,同时又把热量传递给被加热的物体, 实现供热的目的。
根据热力学第二定律, 当以高位能作补偿条件时, 热量可以从低温物体转移到高温物体。因而热泵循环中, 为了向被加热的物体供热 Q,要消耗功 W 。按热泵驱动的形式,可把常见的热泵分为四种: 1) 机械压缩式热泵; 2) 吸收式热泵; 3) 蒸汽喷射式热泵; 4) 热电热泵。
三、地源热泵应用方式及适用性
地源热泵的应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类 ,从输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。
家用系统：用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应 ,多用于小型住宅 ,别墅等户式空调。
集中系统：热泵布置在机房内,冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。
分散系统：用中央水泵 ,采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源 ,用户单独使用 自己的热泵机组调节空气。一般用于办公楼、学校、商用建筑等,此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上 ,便于计量 ,适用于目前的独立热计量要求。
开式系统需水量大 ,可用的水源可能受到限制 热泵的传热效率受到悬浮物、腐蚀性物质 ,水垢 ,细菌微生物 ,特别是需要高功率的水泵 泵的能耗会非常大 如果需要回灌井 ,费用将十分高昂。
直接膨胀式虽然高效,不需要循环泵。但为了有效的换热面积需要大型管沟 ,由于大树根系会损坏盘管 ,因此铜管不能埋在大树附近；压缩机油路系统较复杂，有渗漏危险，安转要求和费用高 ，需要更多的制冷剂。
四、地源热泵特点
1、属经济有效的节能技术
地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定 ,冬季比环境空气温度高 ,夏季比环境空气温度低 ,是很好的热泵热源和空调冷源 ,这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40% 左右。另外 ,地能温度较恒定的特性 ,使得热泵机组运行更可靠、稳定 ,也保证了系统的高效性和经济性。
据世界环境保护组织EPA 的一份有关空调未来的报告所得出的结论：地源热泵技术在为家庭居民带来舒适、可靠和高效节能的同时 ,将成为降低国家能源消耗和环境污染的一个主要力量。据EPA估计 ,设计安装良好的地源热泵 ,平均来说, 可以节约用户30%一40%的供热制冷空调的运行费用。
2、环境效益显著
地源熱泵的污染物排放 ,与空气源热泵相比,相当于减少40%以上 ,与电供暖相比,相当于减少70% 以上 ,如果结合其它节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂 ,但比常规空调装里减少25% 的充灌量；属自含式系统 ,即该装置能在工厂车间内事先整装密封好,因此 ,制冷剂泄漏机率大为减少。该装置的运行没有任何污染,可以建造在居民区内,没有燃烧 ,没有排烟 ,也没有废弃物 ,不需要堆放燃料废物的场地 ,且不用远距离输送热量。
3、属可再生能源利用技术地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地衰浅层是一个巨大的太阳能集热器 ,收集了47%的太阳能量 ,比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制 ,真正是量大面广、无处不在。
这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源 ,使得地能也成为清洁的可再生能源一种形式。
4、一机多用 ,应用范围广 ,地源热泵系统可供暖、空调 ,还可供生活热水 ,一机多用 ,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统 ,可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑 ,更适合于别墅住宅的采暖、空调。此外,机组使用寿命长 ,地源热泵机组的寿命比风冷热泵机组长 ,一般可达20年 埋地管道如果施工正确,寿命可达50年。机组紧凑、节省空间,维护费用低 自动控制程度高 ,可无人值守。
地源热泵是目前可用的对环境最好和最有效的供热制冷系统,比其他空调、采暖系统节省能源40%以上。使用绿色能源一地能 ,可实现夏季制冷 ,冬季供暖 ,并能够独立计费。符合建设部颁布的《绿色生态住宅小区建设与技术导则 》中的要求。
参考文献：
[1] 昝拓荒,魏东杰. 绿色建筑中的暖通空调技术[J]. 中国建设信息供热制冷, 2010,(01) . [2] 张莉,李尧,朱玉明. 暖通空调节能设计分析[J]. 山西建筑, 2010,(09) . [3] 钱济雄. 浅析暖通空调系统的节能[J]. 山西建筑, 2010,(03) . [4] 关达可,朱栋华. 暖通空调计算机控制系统设计[J]. 大众科技, 2010,(01) . [5] 林忠. 暖通空调设计与节能[J]. 中小企业管理与科技(下旬刊), 2010,(10) . [6] 袁清. “低碳经济”背景下暖通空调产业的嬗变[J]. 中国建筑金属结构, 2010,(02) .
作者简介：夏颖，天津港津建筑设计工程有限公司，
性别：女出生年月：1980年9月籍贯：河北省卢龙县学历：硕研
研究方向：室内环境控制及模拟研究，暖通空调新技术。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。