淺析地源熱泵適用性

 摘要：地源熱泵是一種利用淺層地熱資源的既可供熱又可制冷的高效節能空調設備。冬季把地能中的熱量取出來，供給室內采暖；夏季把室內熱量取出來，釋放到地下水、土壤或地表水中。 

　　關鍵詞： 

　　地源熱泵 天津地區 適用性 

　　中圖分類號：TE08 文獻標識碼：A 文章編號： 

　　一、地源熱泵簡介 

　　眾所周知地下2-3米以下的土壤、河水、地下水溫度常年基本恒定，始終保持在13℃-26℃，地源熱泵是充分利用了這一特點，把專用管道埋入地下深處或地表水（河、湖）等處，通過與地下土壤或河水等進行熱量交換。而傳統中央空調利用空氣進行熱量交換，但空氣的溫度變化很大，夏季一般達到32℃-36℃，空調機組為了換熱就要耗費更大的能量，相當于在低溫的環境中提取冷量比在36℃的環境要容易的多，實際節能效果達30%-50%。 

　　二、地源熱泵系統分類及其優缺點 

　　1、水平式地源熱泵 

　　通過水平埋置于地表面2-4米以下的閉合換熱系統，它與土壤進行冷熱交換。此種系統適合于制冷供暖面積較小的建筑，如別墅和小型單體樓。 

　　優點：初投資較小，施工費用相對較低；缺點：占地面積較大。 

　　2、垂直式地源熱泵 

　　通過垂直鉆孔將閉合換熱系統埋置在50M～400M深的巖土體與土壤進行冷熱交換。此種系統適合于制冷供暖面積較大的建筑物，周圍有一定的空地，如別墅和寫字樓等。 

　　優點：運行及維護費用低；占地面積較??；冬季無需輔助熱源，不產生任何污染，節能效果明顯；缺點：初投資費用稍高，施工難度較大 

　　3、地表水式地源熱泵 

　　地源熱泵機組通過布置在水底的閉合換熱系統與江河、湖泊、海水等進行冷熱交換。此種系統適合于中小制冷供暖面積，臨近水邊的建筑物。利用池水或湖水下穩定的溫度和顯著的散熱性，不需鉆井挖溝，初投資最小。但需要建筑物周圍有較深、較大的河流或水域。 

　　優點：運行及維護費用低，無需占用土地，室外施工費用低，不產生任何污染；缺點：需臨近較大面積水域，系統效率低于其他方式。 

　　4、地下水式地源熱泵 

　　地源熱泵機組通過機組內閉式循環系統經過換熱器與由水泵抽取的深層地下水進行冷熱交換。地下水排回或通過加壓式泵注入地下水層中。此系統適合建筑面積大，周圍空地面積有限的大型單體建筑和小型建筑群落。 

　　優點：運行及維護費用低，室外施工費用較低，冬季無需輔助熱源，建筑周圍環境影響小，不產生任何污染，換熱效率高，節能效果明顯；缺點：打井受政策限制，系統易受地下水源狀況影響。 

　　三、天津地區地源熱泵適應性 

　　天津地處溫帶地區，冬季供熱負荷和夏季制冷負荷相差不大，容易平衡，不會導致地下積聚過多的熱量和冷量。缺點以及應該注意的問題： 

　　1、天津地區地層條件復雜，咸水埋深較淺。建設地埋管式土壤源熱泵項目極易造成咸淡水串層，導致地下水污染，對打井工藝要求很高。況且，國內的設備材質、生產工藝水平與國外尚有一定差距，在設計和施工時應注意這方面的問題。 

　　2、土壤源熱泵還存在著初投資大、施工困難、埋地換熱器受土壤物性影響較大、連續運行時熱泵的冷凝溫度或蒸發溫度受土壤溫度的影響而發生波動及土壤導熱系數小而導致埋地換熱器的面積較大等不足之處。 

　　3、大面積埋管的大型工程中往往導致地下換熱器系統的實際換熱能力與裝機容量、建筑物排入土壤的瞬時冷/熱負荷和積累量不匹配，使得地溫逐年升高或者下降，系統的供熱供冷能力因而逐年下降。這在潛層地下水流速偏低的地區、埋管數量大的、冷熱負荷差別大的項目中問題尤其突出。另外，施工前期測試方法不正確，測得的原始地溫與土壤層導熱系數不準確，也是導致設計埋管長度不合理的重要原因之一。 

　　四、土壤源熱泵局限性 

　　1、埋地換熱器受土壤性能影響較大 

　　土壤的熱工性能、能量平衡、土壤中的傳熱與傳濕對傳熱有較大影響，連續運行時熱泵的冷凝溫度和蒸發溫度受土壤溫度的變化發生波動，土壤導熱系數較小，換熱量較小。已有的經驗表明，其持續吸熱速率一般為25W/�，所以當供熱量一定時，換熱盤管占地面積較大，埋管的敷設無論是水平開挖布置還是鉆孔垂直安裝，都會增加土建費用。地源供暖技術對地能資源的收集，主要集中在100米以內的淺地層。土壤換熱器的性能在不同地質條件下差別較大。理想的地質條件是較高的導熱系數、熱容量高、較高的土壤含水率及遷移速度。一般各類巖石的導熱系數最大，砂土次之，黏土最小，但是由于巖石孔隙率低導致含水量低，因此巖石用于土壤換熱器的持久性最差，黏土次之，砂土最好。 

　　2、土壤源熱泵適用范圍 

　　土壤源熱泵較適合的建筑物類型是負荷波動小，使用穩定的中等規模住宅、酒店、辦公樓、別墅等，不適宜用于負荷使用隨機性高或負荷較大的會堂、劇院、高負荷密度的、大型的公共建筑，集合住宅小區，只適用于低密度的獨棟住宅，以及有足夠場地的小型公共建筑。某些工程項目由于埋管數量受限，導致夏季相當長的時間管內水溫達到30℃以上，跟冷卻塔沒有區別，這樣的項目就是沒有意義的，增加了初投資。對于我國嚴寒和寒冷地區不得不采用不平衡系統的情況，應該保證換熱器彼此平均間距在25m以上，故適用于超低容積率的、獨棟小負荷建筑群（如別墅、邊遠山區加油站）或獨立建筑。 

　　土壤源熱泵系統的規模不宜過大或過小，每個系統在3000�-50000�比較適宜。系統過大因地埋管換熱器水系統距離過遠，輸送能耗增大，水力難以平衡；過小則相對初投資過高，系統利用率較低。土壤源熱泵系統不適用于高能耗建筑，因為土壤源熱泵系統比常規系統初投資大大增加，比常規熱泵機組增加了土壤換熱器部分，對于有潔凈要求、高除濕要求或較低（高）設定溫度等要求的高負荷建筑物采用地源熱泵是不經濟的，較多的土壤換熱器也會給布置帶來困難。因此對于有潔凈要求、高除濕要求或較低（高）設定溫度的高負荷建筑，采用土壤源熱泵是不經濟的。 

　　五、國內住宅現狀 

　　歐美國家，土壤源熱泵系統多用于低容積率、低負荷密度的建筑，單個系統垂直埋管數量多數不超過120根。即便是較大規模的建筑群，也一定要分成多個系統，每個系統的埋管位置也盡可能分散。而目前在我國，土壤源熱泵被大量用于高容積率的住宅小區以及高負荷密度的公共建筑。由于可利用土地面積有限，井孔不得不密集布置，嚴重制約了地層的熱恢復能力，使得系統的實際供熱供冷能力低于期望值。由于住宅建筑的冷熱負荷明顯屬于間歇性的負荷，特別是冷負荷的間歇特征尤為顯著，只要有少數居民在家系統就必須供冷或供熱，連續供熱供冷必然導致額外大量的水泵和風機電耗，并增加了建筑的實際耗冷量或耗熱量。所以采用土壤源熱泵系統做成集中供熱供冷不適用于我國的集合住宅建筑。 

　　土壤源熱泵節能，但適用范圍有限，不適合集中住宅，適用于超低容積率的小負荷建筑或有足夠場地的小型公共建筑。因此在選擇地源熱泵時不僅要考慮技術的可靠性、投資的大小、區域的地址特性、運行費用的高低以及維護保養的難易程度等,還要考慮國家能源政策及相關要求。在決策之前應詳細考察各個方面的情況,通過技術經濟和可行性分析,選擇合理的方案。 

　　參考文獻： 

　　[1]萬仁里，談地源熱泵，全國熱泵和空調技術交流會論文集，2001.10 

　　[2]趙軍，季新國，等，地源熱泵的工程應用與環保節能特性分析，全國熱泵和空調技術交流會論文集，2001.10 

　　[3]龔宇烈，趙軍，等，地源熱泵在美國的工程應用及發展，全國熱泵和空調技術交流會論文集，2001.10 

　　[4]袁偉峰，趙軍等，供暖用土壤源熱源系統，節能，No.1 2002