地埋管地源熱泵系統(tǒng)在上海地區(qū)的適用性探討

■ 王 穎 Wang Ying

0 引言

自2005年頒布《中華人民共和國可再生能源法》以來，地源熱泵系統(tǒng)作為建筑可再生能源利用的一種形式，近10年在上海市有較廣泛的應(yīng)用。十一五期間，上海市實現(xiàn)了新增淺層地能（包括地表水和土壤能）建筑應(yīng)用面積241.7萬m2，十二五又提出了實現(xiàn)新增淺層地能（包括地表水和土壤能）建筑應(yīng)用面積400萬m2的建筑節(jié)能目標(biāo)。

為了更好地了解地埋管地源熱泵系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況，筆者通過對上海市20個地埋管地源熱泵系統(tǒng)建筑應(yīng)用示范項目的后評估調(diào)研，總結(jié)其成功經(jīng)驗和失敗教訓(xùn)，為后續(xù)項目的實施提供參考。

1 優(yōu)勢所在

通過對項目的實地調(diào)研和分析，筆者發(fā)現(xiàn)地埋管地源熱泵系統(tǒng)在實際運行中的節(jié)能、環(huán)保效益與項目初期理論分析、設(shè)計初衷有非常高的一致性，雖然與其它系統(tǒng)相比會產(chǎn)生一定的初投資，但在系統(tǒng)正常運行的情況下，5～10年基本可收回成本。根據(jù)調(diào)研項目的實際情況，可總結(jié)出地埋管地源熱泵系統(tǒng)建筑應(yīng)用具有以下5點優(yōu)勢。

（1）在冬季制熱及制備生活熱水方面，較傳統(tǒng)的鍋爐系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢明顯。根據(jù)建筑類型和建筑規(guī)模不同，年可節(jié)約能源20%～40%左右，此方面得到項目用戶的一致認(rèn)可。

（2）夏季制冷方面，雖與傳統(tǒng)冷水機組+冷卻塔系統(tǒng)相比節(jié)能優(yōu)勢較小，但有其獨特的環(huán)境效應(yīng)，如無冷卻塔噪聲和漂水。與風(fēng)冷熱泵相比，無任何室外機，可作為歷史保護建筑、展館建筑等的一種能源選擇，在最大程度保留建筑原有風(fēng)貌、尊重建筑師創(chuàng)作初衷的同時，又提高了室內(nèi)舒適度。

（3）可結(jié)合合同能源管理的方式，對舊建筑進(jìn)行冷熱源系統(tǒng)改造。如上海市上世紀(jì)八九十年代建造的旅館項目，多采用燃煤鍋爐+溴化鋰制冷機組的方式，機組的壽命已經(jīng)到達(dá)極限，對其實施改造后，不但可節(jié)省大量的機房空間，而且減少了鍋爐、冷卻塔等對周圍環(huán)境及居民的影響。圖1、2為某賓館項目改造前后的機房對比圖。

圖1 某賓館項目改造前機房

圖2 某賓館項目改造后機房

（4）對于住宅項目，采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)為其末端形式的多樣化提供了可能。如采用風(fēng)機盤管、輻射地板采暖等高舒適末端，以提高住宅建筑的室內(nèi)舒適度及品質(zhì)，同時免去室外機的困擾，是一些高檔社區(qū)、低密度別墅的較佳選擇。

（5）可結(jié)合冷凝熱回收的形式，為夏季生活熱水提供“免費”熱源，適宜于住宅、賓館等生活熱水需求量較大的建筑類型。

2 問題分析

地埋管地源熱泵系統(tǒng)作為可再生能源的一種形式，其節(jié)能效益是毋庸置疑的，但是由于該系統(tǒng)較傳統(tǒng)設(shè)計的創(chuàng)新性，以及地下土壤性能的復(fù)雜性，導(dǎo)致我們在地源熱泵探索應(yīng)用的這10年中也碰到了一些問題，主要歸結(jié)為以下3個方面。

2.1 未考慮土壤熱平衡

早期的地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用項目多數(shù)未安裝冷、熱量計量裝置，未考慮土壤冷熱平衡及土壤溫度恢復(fù)問題，導(dǎo)致系統(tǒng)衰減嚴(yán)重。多項研究表明埋管數(shù)量較少時，可以通過適當(dāng)增加埋管數(shù)量，依靠地溫的恢復(fù)能力實現(xiàn)地溫的平衡；但當(dāng)埋管數(shù)量較多時，地溫平衡主要決定于地下釋熱量和吸熱量的相對平衡。因此，務(wù)必要有可靠的措施，使土壤的冷熱平衡度達(dá)到較高的水平，才能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定地運行[1][2]。近幾年的地源熱泵系統(tǒng)，一般都會采用復(fù)合系統(tǒng)設(shè)計，并安裝有冷熱量計量裝置，這為土壤的熱平衡提供了基礎(chǔ)。但更重要的是，需要在運行過程中，通過對土壤取熱、排熱量的監(jiān)測，實時關(guān)注不平衡率，并據(jù)此及時調(diào)整系統(tǒng)的調(diào)峰運行模式，這對我們的物業(yè)運營管理提出了更高的要求。

對于埋管數(shù)量較多的系統(tǒng)，還應(yīng)設(shè)置有效的土壤溫度監(jiān)測裝置。由于此裝置并非強制要求，因此在調(diào)研的項目中均未安裝。對于這點，我們應(yīng)該要意識到：如果不關(guān)注土壤的溫度變化，可能在最初運行的幾年里，系統(tǒng)還可以正常運轉(zhuǎn)；但隨著土壤溫度的升高，制冷能力將逐漸衰退，嚴(yán)重的可能喪失制冷能力，導(dǎo)致不得不更換系統(tǒng)，造成更大的浪費。從某種意義上講，地埋管系統(tǒng)本身能夠按照設(shè)計年限50年來長期高效運行，便是最大的節(jié)約能源。

2.2 夏季地埋管側(cè)換熱不足

調(diào)研中，多個項目夏季地埋管側(cè)的換熱量不足，有的甚至出現(xiàn)2臺地源熱泵機組在高溫季節(jié)只能開啟1臺的現(xiàn)象；如果同時開啟2臺，冷卻水水溫會過高，導(dǎo)致機組過電保護而停機。經(jīng)分析，造成這種情況的原因主要有以下2點。

（1）由于土壤吸熱、釋熱量不平衡所致。夏熱冬冷地區(qū)，多數(shù)項目夏季向土壤的釋熱量要大于冬季從土壤的吸熱量，長此以往，土壤的溫度將呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，此趨勢嚴(yán)重影響機組夏季的換熱效率，但可以提高冬季系統(tǒng)的效率，即對夏季不利，冬季有利。

（2）由于對地埋管的換熱能力預(yù)估不準(zhǔn)確所致。通常，由巖土熱響應(yīng)實驗得出的地埋管夏季單位長度換熱量設(shè)計取值為60～70W/m，冬季單位長度換熱量設(shè)計取值為40～50W/m，該取值是在2個測試孔連續(xù)運行48h的條件下測試得出的。然而，實際項目的鉆孔數(shù)量少則上百，多則上千，且有些項目全天24h連續(xù)運行，很可能導(dǎo)致以下兩種偏差：一是位于內(nèi)區(qū)的換熱孔實際換熱能力將低于測試值；二是由于連續(xù)向土壤放熱，使得土壤溫度發(fā)生改變，導(dǎo)致?lián)Q熱效率低于測試值。因此，測試值（設(shè)計值）與實際值之間存在一定的偏差，一般項目偏差約為30%，24h運行的項目偏差可達(dá)50%。建議一般項目應(yīng)在上述取值基礎(chǔ)上按0.7進(jìn)行修正，而24h運行的項目應(yīng)在上述取值基礎(chǔ)上按0.5進(jìn)行修正，以保證該系統(tǒng)在整個制冷季能有足夠的冷量供給。

2.3 系統(tǒng)形式選取不合理

系統(tǒng)形式選取不合理的現(xiàn)象主要為個別住宅項目。從負(fù)荷特性方面講，住宅是非常適宜應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)的，其冷熱平衡較宜滿足；但應(yīng)謹(jǐn)慎采用主機、水泵集中式系統(tǒng)。由于住宅的入住率難以控制，采用集中式系統(tǒng)可能導(dǎo)致系統(tǒng)常年低負(fù)荷征及規(guī)模謹(jǐn)慎論證、科學(xué)設(shè)計、專業(yè)運管，才能發(fā)揮其節(jié)能的最大效用。以下是筆者的幾點適用性建議。

（1）空調(diào)熱負(fù)荷相對較大并有較多熱水需求的賓館、醫(yī)院病房、低層住宅等建筑，較適宜采用地源熱泵系統(tǒng)。該類型的建筑熱負(fù)荷較大，節(jié)能效果顯著，投資回收周期較短，但應(yīng)考慮其24h運行的特點，進(jìn)行復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計，每日采用間歇運行的模式。例如：在夜間室外溫度較低時，啟動冷卻塔，使地埋管換熱器停止運行，使得土壤溫度、供回水溫度得到有效恢復(fù)，保證夏季制冷效率，以利于長期運行。運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)效率低下。 應(yīng)選用每戶擁有獨立主機及水泵的分散式系統(tǒng)，但埋管可集中布置。 圖3、4為采用此系統(tǒng)并運行良好的某別墅小區(qū)實拍圖。

圖3 某別墅小區(qū)室外實拍圖

3 適用建筑類型

無論從氣候?qū)傩?、資源稟賦方面，還是從土壤特征方面，上海地區(qū)都較適用地埋管地源熱泵系統(tǒng)，但應(yīng)就建筑特

圖4 戶內(nèi)機房實拍圖

（2）辦公建筑適宜采用地源熱泵系統(tǒng)，雖然投資回收周期可能較賓館等項目長，但其8h運行的特點為地源熱泵系統(tǒng)長期高效率的運行創(chuàng)造了條件。

（3）大型商業(yè)類建筑內(nèi)區(qū)較多，冷熱負(fù)荷不平衡問題嚴(yán)重，地埋管地源熱泵系統(tǒng)不宜作為主要冷熱源，但可作為水源熱泵等的輔助形式。

（4）在負(fù)荷不平衡的工況下，地埋管換熱器運行多年后，出水溫度的惡化程度會隨著管井?dāng)?shù)量的增大而增大。因此，無論何種類型的建筑，當(dāng)集中埋管管井?dāng)?shù)量超過1 000口時，都應(yīng)謹(jǐn)慎論證，并在運營期間最大程度地保證冷熱量平衡，延長系統(tǒng)的有效運行時間。

4 結(jié)論

近10年來，在建筑法規(guī)、政府補貼、綠色建筑等措施的引導(dǎo)下，地埋管地源熱泵系統(tǒng)在上海得到了非?？焖俚陌l(fā)展，但同時也顯現(xiàn)出很多配套能力的不足，導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能潛力沒有完全發(fā)揮出來。后續(xù)項目的開展需要我們對設(shè)計、施工、運營管理都提出更高的要求，尤其是運營管理人員，其職責(zé)已不僅僅是某個季節(jié)系統(tǒng)的正常運行，更多的是要關(guān)注運行數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行計算分析，保證系統(tǒng)長期有效地運行，將系統(tǒng)節(jié)能率最大化，以發(fā)揮地源熱泵應(yīng)有的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝赫,張素芳．負(fù)荷平衡度對地源熱泵系統(tǒng)的影響 [J]． 暖 通空調(diào) ,2014,44(2)：51-54．

[2]陸游,王恩宇,楊久順等．地源熱泵系統(tǒng)土壤溫度變化的影響因素分析[J]．河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報 ,2015,44(1)：66-72．