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1、绿色建筑与地源热泵系统 庄迎春谢康和 ( 浙江大学 建筑工程学院 杭州3 1 0 0 2 7 ) 摘要: 节能、 环保是现代绿色建筑的设计理念。地源热泵技术就是一种节能、 环保、 高效的能源利用技 术， 它充分发挥了浅层岩土体的储冷储热作用， 这为建筑设计提供了一个新的模式 具有广泛的开发及应用 前景。 关性词: 绿色建筑窖洞地撅热泵 GRE E N B U I L DI NG AND GR OUND S OURC E HE AT P U MP S YS T E M Z h u a n g Y i n g c h u n X i e K a n g h e ( C o l l e g e o
2、f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e , Z h e j i a n g U n i v e r s i t y H a n g z h o u 3 1 0 0 2 7 A b s t r a c t : E n e r g y - s a v i n g a n d e n v iro n m e n t p ro t e c tio n a r e t h e d e s ig n c o n c e p t o f a m o d e m g r e e n b u ild in g . G ro
3、u n d s o ur c e h e a t p u m p te c h n iq u e is a e n e r g y - s a v in g , e n v iro n m e n ta l p ro te c t i v e m e th o d o f e n e r g y d e v e l o p m e n t , w h ic h c a n u s e f u ll y t h e f u n c ti o n o f s a v i n g e n e r g y b e tw e e n s h a ll o w e a r th g ro u n d .
4、His m e th o d w ill o ff e r a n e w m o d e to d e s ig n b u il d i n g s 记h a s a b r i g h t f u t u r e o f a p p l i c a t i o n a n d d e v e l 叩m e n t . K e y w o r d s: g r e e n b u i l d i n g c a v e g ro u n d s o u rc e h e a t p u m p 在建筑学中， 我国传统的生态建筑， 如“ 黄土窖 洞” 的穴居形式、 “ 构木为巢” 的巢居形式
5、， 在注重环 保、 节能的今天又回到人们的视野， 特别是在 1 9 9 2 年联合国世界环境发展委员会提出“ 可持续发展” 的 概念后， 绿色建筑、 生态建筑在建筑行业中频繁出 现。绿色建筑倡导一种节能、 环保的设计理念。西 北地区的“ 窖洞” 利用黄土所特有的物理特性， 因地 制宜、 就地取材， 并且利用了地层本身的储冷储热功 能， 达到了冬暖夏凉的效果， 是绿色建筑的典范。 1 绿色建筑 当人们在钢筋混凝土的“ 丛林” 中享受现代文明 的同时， 已经越来越清晰地认识到建筑带来的人与 自然的隔离以及建筑对环保的影响和破坏， 于是提 出这样的问题: 建筑能否重新回归自然、 亲和自然， 实现建筑
6、与自然的共生， 绿色建筑也就出现了。所 谓“ 绿色建筑” 就是指人类建筑与生态环境协调发展 的建筑样式， 即要求在建筑设计、 建造及使用中充分 考虑环境保护的要求， 将建筑物与环保、 高新技术、 能源等紧密结合起来， 在有效满足各种使用功能的 同时， 能够有益于使用者的身心健康， 并创造符合环 境保护要求的工作和生活空间。绿色建筑的指导思 想是在设计时务必要体现并符合人类的可持续发展 的要求， 具体应体现在如下几个方面。 I n d u s t r i a l C o n s t r u c t i o n V o l . 3 4 , N o . 6 , 2 0 0 4 1 ) 建筑与自 然的
7、共生: 即要求保持环境、 利用环 境、 防御自 然灾害。保护生态系统并减少C O , 及其 他大气污染物的排放， 保持建筑周边环境生态系统 的平衡; 充分利用太阳能、 地热能进行供暖、 供热、 采 光以及通风， 充分考虑绿化配置， 软化人工建筑环 境; 考虑建筑物的朝向等。 2 ) 应用减轻环境负荷的建筑节能技术: 即降低 能耗、 延长使用寿命、 使用环保的材料， 注重能源的 再利用、 使用耐久性强的建筑材料及可循环再生材 料的利用。 3 ) 循环再生型的建筑生涯。循环利用始终贯穿 到整个建筑生涯。 4 ) 创造健康、 舒适的室内环境。包括健康持久 的生活环境， 优良的空气质量等。 5 ) 使
8、建筑融人历史与地域的人文环境。即继承 地方传统的施工工艺， 继承和保护城市与地域的景 观特色， 保持城市的恒久魅力和活力。 2 地源热泵 图1 所示为地源热泵系统、 建筑、 环境的关系 图。通过地源热泵系统将环境中的热能提取出来， 第一作者: 庄迎春男1 9 7 8 年4 月出生博士研究生 收稿日期: 2 0 0 3 - 1 2 - 2 0 工业建筑 2 0 0 4 年第3 4 卷第6 期 2 1 万方数据 对建筑物供暖或者将建筑物中的热能释放到环境中 去而实现对建筑物的制冷， 这样所构成的一个系统 达到了建筑物与自然的共生。 卜 降雨; 2 一 地热辐射; 一 太阳辐射; 4 一 地下水热;
9、 5 一岩石热能泊一 地热流口一 地下热交换器; 8 一 温度随季节变化汐一随深度温度常年保持恒定; 1 0 一中性界面 图 1 建筑 、 地澡执夏以及环堆的羊茱 2 . 1 地源热泵系统的工作原理及特点 地源热泵是指通过将传统的空调器的冷凝器或 蒸发器延伸至地下， 使其与浅层岩土或地下水进行 热交换， 或是通过中间介质作为热载体， 并使中间介 质在封闭环路中通过在浅层岩土中循环流动， 从而 实现利用低温位浅层地能对建筑物内 供暖或制冷的 一种节能、 环保型的新能源利用技术。图2 所示为 地源热泵的工作原理。冬季， 通过热泵将浅层岩土 中的低位地能提商并对建筑物供暖， 同时储存冷能， 以备夏用
10、; 夏季， 通过热泵将建筑物内的热量注人到 浅层岩土体中， 对建筑物降温制冷， 同时又储存热 能， 以备冬用。利用该技术可以充分发挥浅层地表 的储能储热作用， 达到环保、 节能的双重功效， 而被誉 为“ 2 1 世纪最有效的空调技术” 。具有以下优点: 1 一 室外地下换热器汉一 循环水泵; 3 一 冷凝器; 4 一 压缩机; 5 一 换向阅; 6 一节流周口一 燕发韶; 8 一 室内风机盘管系统 图2 地娜热泵系统工作原理 1 ) 可再生能源利用 地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源( 通 常小于4 0 0 m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
11、( E a rt h E n e r g y ) ， 是指地表土壤、 地下水或河流、 湖泊 2 2 中吸收太阳能、 地热能而蕴藏的低温位热能。地表 浅层是一个巨大的太阳能集热器， 收集了4 7 %的太 阳所散发的到地球上的能量， 比人类每年利用能量 的5 0 0 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并类似于 一种无限的可再生能源， 使得地能也成为清洁的可 再生能源的一种形式。 2 ) 经济有效 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， 是很好的热泵冷、 热源， 这种温度特性使得地源 热泵比
12、传统空调系统运行效率要高4 0 %， 因此， 可 节能和节省运行费用4 0 %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。 据美国环保署( E P A ) 估计， 设计安装良好的地源热泵， 平均节约用户 3 0 %一 4 0 %的供热制冷空调的运行费用。 3 ) 运行稳定可靠 正是由于地层温度一年四季相对稳定， 其波动 的范围远远小于空气的波动， 是很好的冷热源， 同时 由于温度的恒定性， 使得系统运行更加可靠、 稳定， 也保证了系统的高效性和经济性。 4 ) 环境效益显著 与空气源热泵相比， 地源热泵的污染物排放， 可 减少4 0
13、 %以上， 与电供暖相比， 可减少7 0 %以上， 如 果结合其他节能措施， 节能减排会更明显。地源热 泵虽然也采用制冷剂， 但比常规空调装置减少2 5 % 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， 制冷剂泄漏几率大为减少。 该装置的运行没有任何污染， 可以建造在居民区内， 没有姗烧， 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。与其他空 调方式相比。 可极大地减少C O : 的排放。 5 ) 舒适程度高 由于地源热泵系统的供冷、 供热更为平稳， 降低 了停、 开机的颇率和空气过热和过冷的峰值。这种 系统更容易适应供冷、
14、 供热负荷的分区。 6 ) 一机多用， 应用范围广 地源热泵系统可供暖、 制冷， 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。 7 ) 自动运行 地源热泵机组由于工况稳定， 可以设计为简单 系统， 部件较少， 机组运行简单可 靠， 维护费用低; 自 s业建筑2 0 0 4 年第3 4 春第6 期 万方数据 动控制程度高; 此外， 机组使用寿命长， 均在2 0 年以 上; 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。 2 . 2 地源热泵与环晚的相互
15、作用 根据地源热泵系统与环境的作用关系不同， 可 以将其分为闭式和开式两种形式。闭式对环境的影 响主要是通过交换热能相互影响; 而开式需要提取 地下水或地表水， 与环境内部发生一部分物质交换， 所以对环境的影响比较大， 在应用该系统的时候， 首 先需要对周边环境在该系统的作用下进行环境评 估， 衡量是否适合该系统的应用。 已有的研究表明， 开式系统对环境的影响比较 大， 在使用时受到很多局限性， 而且该技术本身对环 境的要求比较高， 比如需要有充足的地下水并且有 良好的回灌地层或者位于江、 河、 湖泊。然而， 闭式 系统以其良好的环保作用而得到广泛的应用。闭式 循环系统在封闭的管路填充传热介质
16、， 一般为防冻 液， 以避免冬季出现结冰现象， 并通过与周围土体或 者水体发生热交换而达到制冷或供热的目的。 防冻液的主要成分是抓化钙、 抓化钠、 乙醇、 乙 二醇、 甲醇、 醋酸钾、 碳酸钾溶液。由于将其通过管 道置人地层中， 因此， 防冻液有可能因泄漏或滋出而 进人地层中， 进而对地层中的土壤、 地下水甚至地表 水造成污染， 有些防冻液对人或动物有潜在的毒性， 而有一些为易燃性， 对系统也构成了潜在的威胁。 一般来讲， 在地表 巧m以下地层为常温层， 在水 平布管和地表水型对其深层的地层温度场产生的振 动不是很明显， 而具有很多优势的垂直布管方式对 1 5 m以下的地层产生较大的扰动。必然
17、会让常温层 的距离下移， 对近地表的生物将会产生一定的影响。 由于地源热泵系统大规模的取热或取冷， 将对近 地表温度场产生一定的影响， 是否会对区域环境造成 负面的影响， 这将是在推广地源热泵技术过程中值得 专门研究的深层次的环境问题。 如前所述， 地源热泵系统实现了建筑与自然的 共生; 另一方面， 它本身就是一种节能技术， 属于建 筑节能技术发展的对象， 这已经被列人建设部建筑 节能“ 十五” 计划纲要; 它可以利用生活用水中的余 热， 从而实现热量的再循环利用， 而且浅层地能是一 种不会枯竭的可再生能源， 是一种可再生的能源利 用技术; 并且可以带来舒适的环境， 是一种绿色建筑 技术， 全
18、面符合绿色建筑的设计理念。 4总结 1 9 9 8 年美国能源部颁布法规， 要求在全国联邦 政府机构的建筑中推广应用地源热泵系统。美国总 统布什在他的德克萨斯州的宅邸中也安装了地源热 泵空调系统， 以支待并鼓励这种能源新技术的发展。 我国成功申办2 0 0 8 年奥运会， 提出了“ 科技奥运、 人 文奥运、 绿色奥运” 的承诺， 并在申奥报告中明确地 写着要发展地源热泵技术以及其他绿色技术， 实现 对绿色能源的利用， 从而实现“ 新奥运， 新北京” 。 2 0 0 0 年我国长春市与日本能源部就地源热泵 技术达成合作， 并建成了长春市地源热泵供暖( 制 冷) 试验示范项目。该项目利用地源热泵系
19、统实现 对一已有建筑物的供暖( 制冷) 系统进行改造， 工程 在2 0 0 1 年元旦投人使用以来， 节能效果明显， 其 C O P 平均值为3 . 1 ; 从环保角度来看， 该系统具有良 好的环保效果， 对周围环境不造成污染， 通过风机送 达室内的空气清新， 人体感觉舒适。 地源热泵这一绿色技术已经显示其强大的技术 潜力， 而这一技术也可以说是人类利用和改造自然 过程中长期形成的穴居方式的现代版。它充分利用 浅部地层的能源， 实现对建筑物的节能， 为绿色建筑 提供了一种可供选择的设计方法， 在未来的建筑设 计中势必将改变人们的设计理念。 3 地谭热泵系统与绿色趁筑 就一栋典型的5 0 年生命
20、周期的办公建筑而言， 其能源消费大约占总消费的3 4 %.因此， 在保证舒 适、 健康的室内环境前提下， 如何提高能源的使用效 率， 成为建筑运行管理者、 使用者重点考虑的问题。 在发达国家中， 供热和空调的能耗可占到杜会总能 耗的2 5 %一 3 0 %。所以， 绿色空调是未来建筑领域 发展的一个主要方向。而地源热泵系统是天然的绿 色空调系统， 因此， 发展地源热泵系统技术在很大程 度上推动了绿色建筑的发展。 .考文欲 易军t 2 0 8 1 中国绿色建筑1 可持续发展建筑国际研讨会论文集 序建筑学报， 2 0 0 2 ( 9 ) 2 0 0 1 中国绿色建筑1 可持续发展建筑国际研讨会论文
21、集绮委会. 绿色建筑概论. 见 中国绿色建筑I 可持续发展建筑国际研讨会论 文集. 北京 中国建筑工业出版社， 2 0 0 1 何晓润. 试论绿色建筑. 株洲师范高等专科学校学报， 2 0 0 2 ( 7 ) 高青， 于鸣. 效率高、 环保效能好的供热制冷装f地热 热泵的开发和利用. 吉林大学自然科学学报, 2 0 0 1 , 3 1 ( 2 ) : %一 1 0 2 高杉， 真司 池内， 等 中国长春市 极寒冷地人的地中热利用匕一 卜 术夕 了技术刃适用 普及调查 技术情报. 地热. 2 0 0 1 , 3 8 ( 6 ) : 1 6 6 B n , k h m d S e o n e r , O l d A M-D ri l l i n g M e t h o d s ( S h a ll o w G m t h e m . 1 l ,a t e l l a t i m n . I n : P di n g , d t h e W o r l d G e d h e m , e l C o g , m 2 0 0 P u b G e h a d 份I n te r n a t i m ie l C e o th e mW A m a a i a ti w. 2 0 0 L 5 5 胡 株色建筑与地派热泉系统庄迎春. 等 万方数据