地埋管地源熱泵清潔技術(shù)的工程應(yīng)用

孫宏偉

（江蘇河海新能源有限公司，常州 213100）

地埋管地源熱泵技術(shù)是一種清潔能源利用技術(shù)，地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是以大地為冷熱源，通過(guò)中間介質(zhì)作為熱載體在埋設(shè)于大地巖土中的封閉環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與大地進(jìn)行冷熱量交換，夏季通過(guò)熱泵機(jī)組將建筑物內(nèi)的熱量釋放到土壤中以備冬用，冬季再利用熱泵技術(shù)把儲(chǔ)存在土壤中的熱量取出來(lái)對(duì)室內(nèi)進(jìn)行供暖，實(shí)現(xiàn)夏季制冷和冬季制熱的目的，解決建筑物供能系統(tǒng)所需的冷熱源問(wèn)題，具有節(jié)能環(huán)保的顯著優(yōu)勢(shì)[1,2]。

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1.1 淺表地?zé)崮艿母拍?/h3>

淺表地?zé)崮苁侵傅乇硪韵乱欢ㄉ疃确秶鷥?nèi)，溫度低于25℃，在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下具備開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的地球內(nèi)部的熱能資源。其能量主要來(lái)源于太陽(yáng)輻射與地球梯度增溫，通過(guò)熱泵技術(shù)進(jìn)行采集利用后，可以為建筑物供能。

1.2 淺表地?zé)崮芾梅绞?/h3>

淺表地?zé)崮馨蠢錈嵩吹臈l件不同主要分為地埋管地源熱泵、地表水地源熱泵和地下水地源熱泵等。

地埋管地源熱泵主要以巖土為冷熱源，利用循環(huán)水與地下土壤進(jìn)行冷、熱交換；地表水地源熱泵以江河湖海水為冷熱源，對(duì)地表水中的泥沙、懸浮物等進(jìn)行前置水處理，保證進(jìn)熱泵主機(jī)的水質(zhì)符合要求；地下水地源熱泵技術(shù)是指抽取與地層相同溫度的地下水，并通過(guò)機(jī)組與抽取的地下水進(jìn)行換熱，根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷及需水量的大小，地層的出水能力和回灌能力來(lái)設(shè)計(jì)抽水井和回灌井的數(shù)量[3]。

2. 地埋管地源熱泵技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況

2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

我國(guó)地埋管地源熱泵技術(shù)工程應(yīng)用起步相對(duì)較晚。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科研水平的不斷提高，地源熱泵技術(shù)得到飛速發(fā)展，工程應(yīng)用實(shí)例越來(lái)越多，地埋管地源熱泵技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用潛力很大。2006年1月，國(guó)家建設(shè)部頒布了《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》，為規(guī)范地埋管地源熱泵技術(shù)工程的應(yīng)用提供了規(guī)范保障。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)地埋管地源熱泵技術(shù)的研究主要集中在以下方面：地埋管換熱器的傳熱理論、地埋管換熱器的傳熱模擬、地埋管換熱器選型、間歇運(yùn)行時(shí)對(duì)地埋管換熱器的性能分析等方面。

地埋管地源熱泵技術(shù)的研究仍然主要局限在對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M計(jì)算階段，而對(duì)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的性能變化、土壤溫度變化等基礎(chǔ)性研究不足。近年來(lái)，地?zé)釗Q熱器模擬軟件“地?zé)嶂恰钡膯?wèn)世提供很好的應(yīng)用平臺(tái)。

2.2 國(guó)外發(fā)展情況

圖1 海淀區(qū)外語(yǔ)電子職業(yè)高中北校區(qū)和北京市回龍觀醫(yī)院

圖2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)原理示意圖

圖3 豎直和水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)示意圖

20世紀(jì)初期，地下巖土中淺表地?zé)崮芘c熱泵技術(shù)結(jié)合應(yīng)用的觀點(diǎn)首次被提出。自20世紀(jì)70年代，兩次石油危機(jī)直接導(dǎo)致能源價(jià)格走高，同時(shí)環(huán)境問(wèn)題也不斷困擾人類社會(huì)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到開(kāi)發(fā)可持續(xù)新能源重要意義。

美國(guó)針對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了大規(guī)模的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)研究。歐洲各國(guó)荷蘭、瑞典等國(guó)由政府出資建立的地埋管地源熱泵工程數(shù)量不斷增多，工程技術(shù)不斷成熟。

3. 地埋管地源熱泵技術(shù)原理

地埋管地源熱泵系統(tǒng)是把熱交換器埋于地下，通過(guò)水在由高強(qiáng)度塑料管組成的封閉環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與大地土壤進(jìn)行冷熱交換的目的。

地埋管地源熱泵系統(tǒng)夏季通過(guò)機(jī)組將房間內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下，對(duì)房間進(jìn)行降溫。同時(shí)儲(chǔ)存熱量，以備冬用；冬季通過(guò)熱泵將土壤中的熱量轉(zhuǎn)移到房間，對(duì)房間進(jìn)行供暖，同時(shí)儲(chǔ)存冷量，以備夏用，大地土壤提供了一個(gè)很好的免費(fèi)能量存貯源泉，這樣就實(shí)現(xiàn)了能量的季節(jié)轉(zhuǎn)換。

地埋管地源熱泵系統(tǒng)按地埋管換熱器的布置方式不同，可分為豎直和水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

4. 地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)

地下埋管式換熱器是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)是否合理決定著地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性，地下傳熱的復(fù)雜性，地?zé)釗Q熱器傳熱模型的研究一直是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)和應(yīng)用基礎(chǔ)[4,5]。

地下埋管式換熱器設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)本地區(qū)的土壤特性、氣候、地質(zhì)分布等特點(diǎn)，結(jié)合該項(xiàng)目的具體情況和我們以往的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

確定建筑物輸入地下巖土的冷熱負(fù)荷，如果全年向土壤釋放的熱量遠(yuǎn)大于從土壤吸收的熱量，地源熱泵裝機(jī)負(fù)荷主要滿足以冬季熱負(fù)荷配置，夏季不足部分用冷水機(jī)組和冷卻塔系統(tǒng)輔助散熱。

確定豎井埋管管長(zhǎng)，地埋管換熱器應(yīng)根據(jù)可使用地面面積、工程勘察結(jié)果及挖掘成本等因素，綜合考慮到可利用的埋管面積有限及換熱效能，設(shè)計(jì)中采用了豎直埋管換熱器。每個(gè)鉆孔中設(shè)置一組或兩組U型管（即單U管和雙U管），各U型管之間更多采用同程并聯(lián)連接。

根據(jù)U型管巖土層每米孔深換熱量，確定管井的數(shù)量，確定地埋管換熱器所需占地面積。

5. 地埋管地源熱泵技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

1）可再生能源

地表土壤和水體不僅是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，收集了47%的太陽(yáng)輻射能量，地下的水體是通過(guò)土壤間接的接受太陽(yáng)輻射能量，是一個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)能量平衡系統(tǒng)，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發(fā)散的相對(duì)的均衡。地埋管地源熱泵利用儲(chǔ)存于其中的近乎無(wú)限的太陽(yáng)能或地能成為可能。

2）高效節(jié)能，經(jīng)濟(jì)效益顯著

地源熱泵機(jī)組可利用的土壤溫度冬季為15℃～18℃，土壤溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。而夏季土壤為17℃～20℃，土壤溫度比環(huán)境空氣溫度低，制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風(fēng)冷式和冷卻塔式換熱效果，機(jī)組效率提高。據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，設(shè)計(jì)安裝良好的地源熱泵，平均來(lái)說(shuō)可以節(jié)約用戶30～40%的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。

3）運(yùn)行穩(wěn)定可靠

地下巖土的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，其波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動(dòng)，是熱泵機(jī)組很好的冷熱源，土壤溫度較恒定的特性，使得熱機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。不存在空氣源熱泵和冬季除霜等難點(diǎn)問(wèn)題，克服了常規(guī)空調(diào)因外界氣溫的變化引起的多耗電，效果差等弊端。

4）環(huán)境效益顯著

地埋管地源熱泵的使用少量電能換取更多的冷熱量，減少消耗一次能源并導(dǎo)致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。節(jié)能的設(shè)備本身的污染就小，設(shè)計(jì)良好的地源熱泵機(jī)組折電力消耗，與空氣源熱泵相比相當(dāng)于減少30%以上。

5）一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣

地埋管地源熱泵系統(tǒng)可為建筑物供冷、供熱、供生活熱水，一機(jī)多用。一套系統(tǒng)可以替換原來(lái)的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。特別是對(duì)于同時(shí)有供熱和供冷要求的建筑物，地源熱泵有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，不僅節(jié)省了大量能源，還減少了供冷供熱設(shè)備的初投資。

6. 結(jié)論

地埋管地源熱泵技術(shù)是一種可再生能源技術(shù)，為區(qū)域建筑供冷、供熱、供生活熱水。根據(jù)不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件、不同能源結(jié)構(gòu)及價(jià)格，選擇合適的地埋管地源熱泵系統(tǒng)形式，優(yōu)化地埋管換熱器設(shè)計(jì)，以期取得良好的節(jié)能和環(huán)保效益。

我國(guó)具有應(yīng)用地源熱泵技術(shù)的廣闊市場(chǎng)與條件，地埋管地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。

[1]袁旭東，王彬，吳伯謙.混合式土壤源熱泵應(yīng)用分析.制冷與空調(diào)，2006(1)：40—43.

[2]張昆峰，馬芳梅，金六一.土壤源熱泵與熱泵聯(lián)結(jié)運(yùn)行冬季工況的實(shí)驗(yàn)研究.華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，24(1)：23—26.

[3]王琰.南京某辦公綜合樓地源熱泵+蓄能空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究.建筑科學(xué)，2010，26(10)： 06—13 .

[4]王勇.地源熱泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2001，(5)：12—13.

[5]林愛(ài)輝.地源熱泵系統(tǒng)及能效分析。湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004年12月.