地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用過程中若干常見問題的分析

徐衛(wèi)星 王 琳 隋繼學(xué) 張 冰

（河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河南 鄭州 450011）

0 引言

地源熱泵是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源既可供熱又可制冷的高效節(jié)能熱泵系統(tǒng)。 它通過輸入少量的高品位能源（如電能），實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位熱能的轉(zhuǎn)移。 將水體和地層蓄能作為冬、夏季的供暖熱源和空調(diào)冷源，即在冬季，把水體或地層中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量“取”出來，釋放到水體和地層中去。 根據(jù)利用的低位熱源形式的不同， 可以將地源熱泵分為土壤源熱泵和水源熱泵，水源熱泵根據(jù)水的來源不同，又可將其進(jìn)一步分為地表水水源熱泵和地下水水源熱泵。通常地源熱泵消耗1KW 的能量，用戶可得到3～4KW 的有用熱量或冷量，能效比高；且地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，受室外氣候條件影響非常??；無室外機(jī)、不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣，是一種理想的“綠色技術(shù)”。

地源熱泵技術(shù)以其顯著的節(jié)能與環(huán)保效果受到了國(guó)家相關(guān)部門的重視以及有關(guān)科研和工程技術(shù)人員的青睞，國(guó)內(nèi)已有越來越多的供熱空調(diào)工程采用了地源熱泵技術(shù)。 然而，在應(yīng)用過程中又由于各類系統(tǒng)自身所具有的一些缺點(diǎn)使得其在使用中收到諸多的限制。 下面就不同形式的地源熱泵系統(tǒng)分別分析其在實(shí)際應(yīng)用中所存在的一些問題。

1 土壤源熱泵存在的問題

1.1 地下埋管換熱器換熱量無法精確計(jì)算

地下埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分， 其選擇的形式是否合理，設(shè)計(jì)的是否準(zhǔn)確，將直接關(guān)系到地源熱泵的初投資和系統(tǒng)的運(yùn)行效果。 地埋管的設(shè)計(jì)方法主要有兩種，一種根據(jù)單位鉆井深度換熱指標(biāo)計(jì)算需要的地埋管換熱器總長(zhǎng)度；另一種將巖土的熱物性參數(shù)輸入專業(yè)軟件，在夏季工況和冬季工況運(yùn)行條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合計(jì)算，通過控制地埋管的進(jìn)出口參數(shù)進(jìn)行地埋管的設(shè)計(jì)，前者計(jì)算簡(jiǎn)單方便，而后者在設(shè)計(jì)時(shí)需要使用許多的專業(yè)軟件，對(duì)設(shè)計(jì)師的要求很高，很難推廣普及因此國(guó)內(nèi)普遍應(yīng)用前者進(jìn)行地埋管地源熱泵的設(shè)計(jì)。

影響地埋管管熱量的因素很多， 其中地下巖土的綜合導(dǎo)熱系數(shù)尤為重要。 準(zhǔn)確的巖土熱物性是合理設(shè)計(jì)地埋管換熱器的前提，簡(jiǎn)單的依賴查表或者實(shí)驗(yàn)室的取樣數(shù)據(jù)不能完全代表埋管區(qū)域的巖土熱物性，從而不能準(zhǔn)確計(jì)算地埋管換熱器的換熱性能。 而且土壤的特性隨地點(diǎn)的變化而有所差別，在一地區(qū)的研究結(jié)果可能完全不適用于另一地區(qū)，必須進(jìn)行相應(yīng)的修正甚至重新研究。 雖然目前出現(xiàn)了通過現(xiàn)場(chǎng)巖土熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)地下巖土的熱響應(yīng)曲線的方法[1]，但也存在測(cè)試方法復(fù)雜，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)試費(fèi)用高等原因。 且土壤源熱泵系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行情況與測(cè)試情況存在很多不同，對(duì)測(cè)試出的土壤的熱物性仍需要進(jìn)行理論修正。

1.2 地下?lián)Q熱器冬夏熱平衡問題

根據(jù)氣候特點(diǎn)可將我國(guó)分為5 個(gè)熱工分區(qū)：嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)。 不同地區(qū)的建筑物在一年之中的冷、熱負(fù)荷相差甚大。 在某些熱工分區(qū)使用獨(dú)立的地埋管熱泵系統(tǒng)會(huì)造成土壤的熱失衡，長(zhǎng)此以往將會(huì)嚴(yán)重影響到地源熱泵系統(tǒng)的性能。

地源熱泵系統(tǒng)冬季通過熱泵提取地下的低位熱能給建筑物供暖，同時(shí)，地下埋管周圍的溫度降低；夏季通過熱泵把建筑物中的熱量傳輸給大地，對(duì)建筑物降溫，同時(shí)，地下埋管周圍的溫度升高。 這種溫度的升高或降低，對(duì)當(dāng)年采暖（空調(diào)）季地埋管換熱器的傳熱性能有一定影響。 如果一年中冬季從土壤提取的熱量與夏季向土壤釋放的熱量相差不大，則地埋管在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后，土壤的年平均溫度并不發(fā)生變化，對(duì)地埋管換熱器的性能沒有影響。 如夏熱冬冷地區(qū)，供冷和采暖的天數(shù)相差無幾，冷熱負(fù)荷基本相等，因此，地埋管地源熱泵系統(tǒng)就比較適合在夏熱冬冷地區(qū)推廣使用。 而在夏熱冬暖地區(qū)由于夏季熱負(fù)荷大于冬季冷負(fù)荷，造成熱泵向土壤釋放的熱量大于冬季從土壤吸收的熱量，這可能會(huì)造成地下土壤的溫度升高，進(jìn)而致使機(jī)組的冷凝溫度提高、制冷量減少、設(shè)備功率上升。 同理，在寒冷地區(qū)由于冬季熱負(fù)荷大于夏季冷負(fù)荷， 致使土壤溫度逐漸降低、設(shè)備功率上升、供熱性能COP 降低。 有研究表明，土壤溫度每降低1℃，會(huì)使制取同樣熱量的能耗增加3%～4%[2]。

1.3 初投資大，與我國(guó)國(guó)情相沖突

土壤源熱泵初投資較大。 土壤源熱泵初投資不但包括傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的地面上的管路及設(shè)備的費(fèi)用，還要包括地面下的換熱器的費(fèi)用，而且還包括初期的勘測(cè)、鉆孔、及地下管路敷設(shè)等費(fèi)用。 北方地區(qū)還要考慮防凍，水管要進(jìn)行保溫，也增加了初投資。某些地區(qū)單是鉆井費(fèi)用可能占到整個(gè)系統(tǒng)初投資的50%以上，有些投資者可能會(huì)回到傳統(tǒng)的空調(diào)，這是土壤源熱泵系統(tǒng)不能大量投入使用主要原因之一。

土壤源熱泵系統(tǒng)地下埋管換熱器的鋪設(shè)需占用大片的土地資源，且由于埋管深度和換熱器材料的影響，埋管換熱器的上方一般不允許再建造其它建筑，這與我國(guó)地少人多的國(guó)情不相符。 雖然近年來出現(xiàn)了利用建筑物地基內(nèi)的工程樁或灌注樁布置地埋管換熱群的方式，在一定程度上緩解了土地所帶來的壓力，但這種新的形式存在維修困難、土壤熱失衡等問題。 一旦地埋管發(fā)生泄漏，基本上無法對(duì)該換熱井進(jìn)行維修，只能棄之不用，這勢(shì)必將影響整個(gè)系統(tǒng)的換熱性能。

1.4 地埋管回填材料的選擇與施工

回填是地埋管換熱器施工過程中的重要環(huán)節(jié)， 是在鉆孔完畢、下完U 型管后，向鉆孔中注入回填材料。 它介于地埋管換熱器的埋管與鉆孔壁之間， 用來增強(qiáng)埋管與周圍巖土的換熱,同時(shí)也起到密封鉆孔的作用，防止地面水通過鉆孔向地下滲透，以保護(hù)地下水不受地表污染物的污染，并防止地下各個(gè)含水層之間的交叉污染。 回填材料的選擇以及正確的回填施工對(duì)于保證地埋管換熱器的性能有重要的意義。 采用導(dǎo)熱性能不良的回填材料將顯著增大鉆孔內(nèi)的熱阻，在同樣的條件下導(dǎo)致所需的鉆孔總長(zhǎng)度增加，同時(shí)也意味著系統(tǒng)初投資及運(yùn)行費(fèi)用的增加。 隨著地源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用，人們?cè)絹碓疥P(guān)注回填材料性能的改善和優(yōu)化，但這些研究成果，或是選用的骨料成本昂貴，或是導(dǎo)熱系數(shù)不夠理想，都比較難以應(yīng)用到實(shí)際工程中去[3]。

2 地下水源熱泵存在的問題

2.1 對(duì)地下水水質(zhì)的影響

目前， 國(guó)內(nèi)地下水源熱泵的地下水回路都不是嚴(yán)格意義上的密封系統(tǒng)，回灌過程中的回?fù)P、水回路中產(chǎn)生的負(fù)壓和沉砂池，都會(huì)使外界的空氣與地下水接觸，導(dǎo)致地下水氧化[4]。 地下水氧化會(huì)產(chǎn)生一些列的水文地質(zhì)問題， 如地質(zhì)化學(xué)變化、地質(zhì)生物變化。 另外，目前國(guó)內(nèi)的地下水回路材料基本上不作嚴(yán)格的防腐處理，地下水經(jīng)過系統(tǒng)后，水質(zhì)也會(huì)受到一定的影響。這些問題直接表現(xiàn)為管路系統(tǒng)中的管路、換熱器和濾水管的生物結(jié)構(gòu)和無機(jī)物沉淀，造成系統(tǒng)效率降低和井的堵塞。

2.2 能否保證抽取地下水的完全回灌

我國(guó)水資源非常缺乏， 主管部門對(duì)開采地下水有嚴(yán)格管理，為保證地下水源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期正常運(yùn)行，補(bǔ)充地下水源，調(diào)節(jié)水位，維持儲(chǔ)量平衡，必須進(jìn)行100%同層回灌。同時(shí)，為避免在熱泵裝置中冷卻或加熱后回灌到地下的水， 因短路而被抽回，回灌井與取水井之間應(yīng)保證一定距離。 國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一口抽水井至少要對(duì)應(yīng)兩口回灌井，但實(shí)際工程中，投資方與施工方由于成本問題往往會(huì)少打回灌井或不打回灌井，造成地下水資源的大量浪費(fèi)；且由于回灌技術(shù)的不成熟，抽取的地下水并不能完全的回灌到地下去，甚至出現(xiàn)地表水直接地表排放的情況。

地下水屬于一種地質(zhì)資源，如無可靠的回灌，將會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的后果。 地下水大量開采引起的地面沉降、地裂縫、地面塌陷等地質(zhì)問題日漸顯著。 地面沉降除了對(duì)地面的建筑設(shè)施產(chǎn)生破壞作用外，對(duì)于沿海臨河地區(qū)還會(huì)產(chǎn)生海水倒灌、河床升高等其它環(huán)境問題。 而一旦出現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境問題，往往是災(zāi)難性和無法恢復(fù)彌補(bǔ)的。

3 地表水源熱泵存在的問題

3.1 地表水基礎(chǔ)水溫?cái)?shù)據(jù)不全；熱延遲效應(yīng)不明顯；系統(tǒng)熱穩(wěn)定性差

目前，對(duì)于地表水源熱泵系統(tǒng)取水點(diǎn)的水溫，我國(guó)沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)檢測(cè)， 而現(xiàn)有的數(shù)據(jù)又過于粗糙 （年代久遠(yuǎn)且不全面）[5]，使得設(shè)計(jì)方不能明確取水點(diǎn)溫度的全年變化情況，只能用已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，或者就一個(gè)工程進(jìn)行測(cè)算。 在沒有詳細(xì)數(shù)據(jù)的情況下，設(shè)計(jì)方傾向于保守的估計(jì)，一般會(huì)將系統(tǒng)選大，這就造成了初投資以及運(yùn)行費(fèi)用上的浪費(fèi)，與使用水源熱泵的節(jié)能的目的背道而馳。

地表水水溫隨著季節(jié)和地理環(huán)境的不同而變化。 與其他地源熱泵形式相比， 地表水源熱泵系統(tǒng)熱的延遲效應(yīng)不明顯，尤其是在取水點(diǎn)不夠深的時(shí)候更是如此。 夏季當(dāng)氣溫最高的時(shí)候，很有可能水溫也最高，此時(shí)機(jī)組的效率降低，如果要保證空調(diào)的需要，就需要將機(jī)組選大。 同樣，在冬季水溫隨氣溫變化的延遲也較小，在水面不結(jié)冰的夏熱冬冷地區(qū)，氣溫最低的月份水溫也最低。 而在北方地區(qū)，地表水溫更低，甚至?xí)霈F(xiàn)結(jié)冰的現(xiàn)象。 這種溫度很低的水源進(jìn)入系統(tǒng)換熱后溫度進(jìn)一步降低，如果換熱溫差過大， 就會(huì)出現(xiàn)冰凍堵塞或者脹裂管道的危險(xiǎn)，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行[6]。

地表水源熱泵系統(tǒng)的熱源主要是江河湖泊及池塘等。 這些水域的水溫受氣候的影響較大，與空氣源熱泵類似，當(dāng)環(huán)境溫度越低時(shí)熱泵的供熱量越小，熱泵的性能系數(shù)也會(huì)降低。

3.2 地表水源水質(zhì)對(duì)系統(tǒng)性能的影響

地表水?dāng)?shù)量巨大、夏冷冬熱，是一種理想的低位冷熱源，但我國(guó)地表水體污染非常嚴(yán)重，水質(zhì)狀況不容樂觀。 不同地區(qū)與流域，地表水的水質(zhì)差別很大，污染物含量、大小尺度各異。為克服污物對(duì)換熱設(shè)備的阻塞、腐蝕與污染問題，保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運(yùn)行，必須要對(duì)地表水進(jìn)行一定的處理，使其符合系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)的要求。 如果將水質(zhì)較差的地表水通過過濾、沉降池等一系列專業(yè)的昂貴的水處理，達(dá)到一定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)再進(jìn)入熱泵系統(tǒng)，那么地表水源熱泵系統(tǒng)就會(huì)失去經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

目前，空調(diào)水處理很多采用的是投放磷系化合物的方法[7]。在運(yùn)行過程中，如果出現(xiàn)泄漏，不經(jīng)處理排放，含磷物質(zhì)就會(huì)進(jìn)入自然水體，磷本身就是富營(yíng)養(yǎng)復(fù)制，它能使水中的植物迅速生長(zhǎng)并消耗掉水中的氧，導(dǎo)致水中動(dòng)物因缺氧而死亡。 因此，水處理如果不得當(dāng)，會(huì)造成對(duì)水體的二次污染。

3.3 熱泵的換熱對(duì)水體中生態(tài)環(huán)境的影響

在地表水源熱泵運(yùn)行過程中， 由于建筑物夏季的空調(diào)負(fù)荷與冬季的采暖負(fù)荷與水源水體的熱承受能力不匹配，將會(huì)導(dǎo)致水源水體不同程度的溫升，從而對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)中的水體理化性質(zhì)以及浮游植物、浮游動(dòng)物和魚類等生生物的分布、種類和生物量造成一定的影響，破壞水域的生態(tài)環(huán)境，如：水生生物代謝增強(qiáng)，部分細(xì)菌和浮游藻類加速生長(zhǎng)；水體富營(yíng)養(yǎng)化加重。富營(yíng)養(yǎng)化加重和水溫升高的水體又會(huì)影響系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、高效性和安全性[8]。

4 結(jié)語

建筑能耗是我國(guó)能耗的重要組成部分， 且隨著新增建筑面積的增長(zhǎng)以及人民生活水平的額提高，建筑能耗在能源消耗中所占比例日趨上升。 目前節(jié)能減排是我國(guó)政府工作的重中之重，關(guān)系到我國(guó)能否持續(xù)健康穩(wěn)定發(fā)展的大問題。 地源熱泵是節(jié)約能源、提高能源利用效率的重要手段，也是當(dāng)前我國(guó)重點(diǎn)推廣的節(jié)能措施之一。 但是由于存在上面的種種問題，限制了地源熱泵在我國(guó)大范圍的使用。

為了在我國(guó)的大力推廣地源熱泵這一節(jié)能技術(shù)， 可以通過以下幾個(gè)方面解決這些亟待解決的問題：加強(qiáng)共性和基礎(chǔ)性研究，系統(tǒng)解決工程用用中存在的問題；修訂和完善工程和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)工程和規(guī)范市場(chǎng)；加強(qiáng)技術(shù)人員的培訓(xùn)，提高設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行水平；加強(qiáng)政府對(duì)水資源和環(huán)境的監(jiān)管力度，適時(shí)建立地源熱泵工程資質(zhì)管理制度；建立行業(yè)組織，提升整體實(shí)力，加強(qiáng)行業(yè)自律；對(duì)已建成系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

[1]王書中，由世俊等.熱響應(yīng)測(cè)試在土壤熱交換器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].太陽能學(xué)報(bào)，2007，28（04）：405-410

[2]周學(xué)文.地源熱泵豎直埋管換熱器的熱平衡問題及解決方案[J].建筑節(jié)能，2009，215（1）：64-66

[3] 馬志強(qiáng). 地埋管地源熱泵系統(tǒng)垂直井孔回填材料研究[J].工程勘察，2010，1：802-808

[4]梁路軍，羅迎賓。柴雅靜等.地下水源熱泵系統(tǒng)的推廣對(duì)地下水資源的影響分析[J].供熱供冷，2009，7：32-35

[5]張軍.地表水源熱泵的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨問題[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2007，06：40-45

[6]付圣東，劉金祥，陸桂良等.地表水源熱泵若干常見問題分析[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2007，01：62-66

[7]錢劍峰，孫德興，張承虎等.新型地表水源熱泵及其相關(guān)技術(shù)分析[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，2：231-234

[8]蘇洋，付祥釗，王勇等.地表水源熱泵受納水體溫升對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的影響[A].2008 鐵路暖通空調(diào)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2008