引言

　　隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，采暖、空調、生活用熱的需求越來越大，是一般民用建筑物用能的主要部分。在發(fā)達城市，夏季空調、冬季采暖與供熱所消耗的能量已占建筑物總能耗的40%—50%，特別是冬季采暖的燃煤鍋爐、燃油鍋爐的大量使用，給大氣環(huán)境造成了極大的污染。地熱空調是一種高效節(jié)能環(huán)保設備，與燃油（煤）鍋爐采暖系統(tǒng)相比節(jié)能達30%——40%。地熱空調以綠色環(huán)保制冷劑為工質，除用少部分電能外，采暖、供熱的熱量主要來自于吸收了約47%的太陽能的地下水或土壤、江河湖水，由于實行封閉循環(huán)，因此整個系統(tǒng)無有害物質排放。地熱空調技術解決了普通空調冷凝溫度高的問題，更加適合用于建筑物采暖、空調、供熱熱水系統(tǒng)，替代供熱鍋爐，有效改善城市的生態(tài)環(huán)境，減少由于使用燃煤、燃油鍋爐引起的有害氣體的排放，提高大氣環(huán)境質量，減少因有害物質引起人們疾病的發(fā)生，充分利用可再生資源和節(jié)約常規(guī)優(yōu)質能源，有利于社會的可持續(xù)發(fā)展?？梢姷責峥照{具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，其市場前景廣闊。

　　一、空調采暖節(jié)能的意義

　　建筑節(jié)能是關乎我國國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略舉措。近年來，我國建筑大規(guī)模迅速擴大，每年新建房屋17-18億m2,據(jù)統(tǒng)計，目前全國已建公共建筑面積就有40億m2，其中采用集中空調的建筑面積約為5-6億m2，若按節(jié)能標準進行改造，總節(jié)能潛力相當于1.35億t標準煤。而在公共建筑總能耗中，暖通空調能耗約占60%-65%。由此可見，暖通空調的節(jié)能力度將直接影響著我國建筑節(jié)能整體目標的實現(xiàn)。

　　二、新型節(jié)能環(huán)?？照{

　　在我國傳統(tǒng)的舒適性室內(nèi)環(huán)境控制技術中，北方一般以燃燒煤鍋爐解決冬季取暖問題，南方則以水冷機組解決夏季空調制冷問題。20世紀80年代后，經(jīng)濟的高速發(fā)展和人們生活水平的迅速提高，對供熱和空調的需求快速增長，對室外環(huán)境質量的要求也不斷提高，供熱、制冷的方式越來越多樣化。從可持續(xù)發(fā)展的角度看，采暖空調用能必須提高能源利用效率，努力尋找可再生的能源，地熱空調就是一種節(jié)能環(huán)保型的新型空調。

　　三、地熱空調技術原理及分類

　　地熱空調系統(tǒng)可工作在制冷工況和供熱工況。它的原理（如圖1所示）與普通的熱泵系統(tǒng)基本一樣，如果說普通熱泵系統(tǒng)是把地球表面空氣或建筑內(nèi)部水環(huán)作為取熱放熱的對象，而它則是把土壤、地下水或地表水作為取熱放熱的對象。

　　地熱空調按傳熱方式可分為：大地直接換熱式、大地耦合式熱泵系統(tǒng)（埋管式土壤源熱泵系統(tǒng)）、地下水循環(huán)式熱泵系統(tǒng)、地表水源熱泵系統(tǒng)。它們有如下特點：

　?。?）大地直接換熱式熱泵系統(tǒng)

　　熱泵機組的室外機組直接埋設于地下土壤中，制冷劑直接與土壤進行換熱，此種形式熱損失最小，熱泵效率高，還可以節(jié)約10%左右的介質循環(huán)泵用電，節(jié)能效果好，但存在室外盤管安裝維護困難，土壤腐蝕等問題。僅在小型系統(tǒng)中少量采用。

　　（2）大地耦合式熱泵系統(tǒng)

　　大地耦合式熱泵系統(tǒng)又稱埋管式土壤源熱泵系統(tǒng)。其以水、鹽水或水乙二醇溶液作為介質（冷熱量載體），在埋于土壤源內(nèi)部的換熱管道與熱泵機組間循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)機組與大地土壤之間的熱量交換。這種形式多了一次換熱過程，傳熱損失增加，熱泵效率比前者降低。但地下?lián)Q熱器形式可以靈活處理，規(guī)模不限，安裝要求不高，這種形式應用較為普遍，且有垂直埋管和水平埋管。

　　（3）地下水循環(huán)式熱泵系統(tǒng)

　　這種系統(tǒng)由抽水井將地下水抽出，通過板式換熱器或直接將水送到熱泵機組。經(jīng)提取熱量或釋放熱量后，由回灌井回灌入地下，由于地下水的溫度相對穩(wěn)定，水的換熱性能優(yōu)于土壤的性能。因此，地下水作冷熱源的熱泵系統(tǒng)性能比前二種性能都要優(yōu)良。但是由于地下水狀況的復雜性，回灌技術對地下水資源污染等問題，使地下水源熱泵系統(tǒng)的應用受到一定限制。

　?。?）地表水源熱泵系統(tǒng)

　　地表水源熱泵系統(tǒng)是利用江河湖泊的水作為機組冷熱源，按地表水與機組的換熱方式不同，又可分為多種形式，由于地下水的溫度一般都好于地表水，該方式熱泵循環(huán)的效率低于地下水水源熱泵系統(tǒng)。但是，地表水一般來說取用排放均較方便。

　　四、工程實例的分析與比較

　　（一）工程概況

　　本工程是崇明某生態(tài)住宅小區(qū)總規(guī)劃建筑面積93490m2，其中，住宅建筑48230m2，原住宅建筑面積10000，住宅戶數(shù)473戶，住宅人數(shù)1514人。

　　空調系統(tǒng)冷熱源方案和可行性分析

　　空調系統(tǒng)冷熱源方案

　　本工程水源熱泵系統(tǒng)原理如圖1所示。冬季，工質通過板式換熱器從河水中吸收熱量，通過熱泵系統(tǒng)的冷凝器加熱空調系統(tǒng)的循環(huán)水，向用戶供暖。夏季工質通過板式換熱器從河水中排出熱量，通過熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器吸收空調系統(tǒng)循環(huán)水的熱量，向用戶供冷。由于冬季江水溫度較低，為了提高換熱效果，直接利用江水和板式換熱器進行換熱。為了得到更低的蒸發(fā)器溫度，工質采用乙二醇溶液。

　　（二）水源熱泵方案可行性分析

　　首先，崇明某生態(tài)住宅小區(qū)緊靠長江（距江堤約1000米），江堤附近的河面開闊，根據(jù)最低和最高水位的實際情況，引水管的取水口的安設位置對航道不會造成影響，因此，水源熱泵具備利用長江水資源的條件。另外，小區(qū)附近有一條通向長江的排水明渠，可直接利用其排水，只需設一根引水管，可減少取水管道的初投資。其次，根據(jù)上海市的氣象、水文條件，夏季長江水最高月（8月）平均溫度一般為27.6-28.0℃，以換熱器5℃溫差考慮，則熱泵機組夏季的進水平均溫差不高于33℃，如果夏季熱泵的冷卻水側溫差為5℃，出水溫度不高于38，根據(jù)熱泵機組的技術要求，這時的冷卻水供回水溫差是能夠保證夏季熱泵機組制冷正常運行。在冬季，崇明長江水最低月（2月）平均溫度一般為5.6-6.7℃左右，以換熱器2溫差考慮，則熱泵機組出水溫度不到-1.4℃，則須在循環(huán)水中添加防凍液。考慮到長江水泥沙、水藻等雜質含量高，水表面直接與空氣接觸，水體含氧量較高，腐蝕性強，如果將地表水直接供應到每臺熱泵機組進行換熱，容易導致熱泵機組壽命的降低，換熱器結垢而性能下降，嚴重時還會導致管路阻塞，因此不宜將地表水直接供應到每臺熱泵機組換熱。因此本工程將長江水和冷凝器或蒸發(fā)器的循環(huán)水之間是用熱交換器分開，熱交換器采取小溫差換熱的方式運行，這樣就可以用廉價的換熱器保護昂貴的水源熱泵機組。從而得出結論，此方案可行。

　　（三）水源熱泵系統(tǒng)方案技術經(jīng)濟分析比較

　　根據(jù)住宅和商業(yè)的負荷情況及小區(qū)的建設特點，冬、夏均由水源熱泵機組來承擔空調負荷，夏季為末端提供7/12的冷凍水，冬季為末端提供50/40℃的熱水。系統(tǒng)方案經(jīng)濟分析計算初投資和運行費用與常規(guī)空調系統(tǒng)（電制冷+燃氣鍋爐）進行分析比較。

　　設計參數(shù)

　　小區(qū)內(nèi)住宅設計為節(jié)能建筑，單位建筑面積的冷負荷和熱負荷分別按45 W/m2和40 W/m2進行概算，系統(tǒng)冷熱負荷概算結果見表1。

　　表1系統(tǒng)冷熱負荷概算表

　　1.設備選型和初投資

　　（1）水源熱泵機組

　　本方案采用2臺水源熱泵機組（單臺制冷量為1312KW、制熱量1257KW），用于夏季供冷和冬季供熱。主要設備和初投資選型表如表2。

　?。?）燃氣鍋路+冷水電制冷機組

　　本方案采用2臺螺桿式冷水機組（單臺制冷量為1406KW），用于夏季供冷，2臺燃氣鍋爐（單臺制熱量為1400KW），用于冬季供熱。主要設備選型表如表3

　　運行費用分析。

　　年運行費用主要按冬夏兩個季節(jié)計算，夏季運行按照每天運行18小時，運行150天；冬季每天運行18小時，運行90天算。綜合考慮設備同時使用系數(shù)0.8。

　　本工程上海地區(qū)的電價政策：06：00-22：00—0.61元/ KWh，22：00-6:00—0.30元/KWh,天然氣2.2元/m3,據(jù)此，進行年運行費用分析。其結果如表4所示。

　　表2水源熱泵空調系統(tǒng)主要設備選型和初投資

　　注：設備的初投資是根據(jù)設備廠家的報價計算

　　表3燃氣鍋爐+冷水電制冷機組主要設備選型表

　　表4年運行費用分析表

　　2.經(jīng)濟比較

　　通過對兩種空調方案的初投資及運行費用分析，結合兩種不同空調方案的特點，分析結果如表5

　　表5兩種方案初投資及運行費用比較

　　從以上兩種方案系統(tǒng)的初投資與運行費用綜合分析結果得出：

　?。?）初投資

　　水源熱泵空調系統(tǒng)冷熱源部分單位建筑面積的初投資為91.23元/m2。常規(guī)空調系統(tǒng)冷熱源部分單位建筑面積的初投資為71.55元/m2。

　?。?）年運行費用和投資回收期：

　　水源熱泵機組單位建筑面積的年運行費用為21.27元/m2,比常規(guī)空調降低23%。其投資回收期為4年。水源熱泵空調方案在投資回收期過后，每年為業(yè)主節(jié)省的運行費用，即為凈利潤。系統(tǒng)按15年運行期考慮，因節(jié)省運行費用而產(chǎn)生的總利潤為334萬元；且水源熱泵系統(tǒng)所需要維護的設備較少，維護費用更低。更重要的是此方案僅限于對長江水進行過濾、沉淀以及加熱冷卻等物理處理，不會給長江水造成污染。

　　五、結論與建議

　　 （1）地源熱泵空調系統(tǒng)具有高效、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點；同時，地源熱泵空調系統(tǒng)技術和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)成熟，如：工程實例崇明生態(tài)小區(qū)就利用自身存在的地理優(yōu)勢，通過科學的設計，減少了初投資，且運行費用比常規(guī)空調要低，年節(jié)省運行費用28.54萬元

　　 （2）選用水作為地源熱泵的低位熱源時，其空調系統(tǒng)必須靠近水源或蓄水裝置。如果用井水作為熱泵空調的低位熱源時，必須采用井水回灌的方法，使用過的井水應回灌到原含水層中，以防止地面的沉降，并應注意回灌水對地下水有無污染。注意對水質的要求，防止出現(xiàn)換熱設備，管道的腐蝕等問題。