地源熱泵技術(shù)可行性分析

郝帥

陜西建工第十三建設(shè)集團(tuán)有限公司 陜西 延安 716000

1 地源熱泵設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1.1 地源熱泵系統(tǒng)

地源熱泵系統(tǒng)基本上是由室內(nèi)的環(huán)路、地源熱泵的機(jī)組部分、地表區(qū)域的換熱器等零部件共同構(gòu)成的，室內(nèi)的環(huán)路通常是使用地源熱泵的機(jī)組部分進(jìn)行連接，通過(guò)冷凝器以及地源蒸發(fā)器開(kāi)展換熱操作。地表淺層區(qū)域的溫度會(huì)跟隨室外空氣溫度的變化而出現(xiàn)變化，但是在地下較深的區(qū)域位置，在未受到外界環(huán)境因素干擾的基礎(chǔ)上，地下深層區(qū)域的土壤溫度一般是維持在恒定不變的狀態(tài)[1]。

地源熱泵系統(tǒng)在夏季進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，通常是使用地源的熱泵機(jī)組直接將熱量傳輸?shù)降乇韰^(qū)域的換熱器上開(kāi)展熱交換操作，土壤會(huì)吸收一定的熱量，土壤的溫度會(huì)提高，土壤可以將熱量存儲(chǔ)在冬季進(jìn)行使用。在冬季進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，地源熱泵既能夠直接通過(guò)地表區(qū)域的換熱器開(kāi)展熱交換，又能夠?qū)⒌叵律顚油寥纼?chǔ)存的熱量直接供給地源熱泵的機(jī)組進(jìn)行使用。這充分地運(yùn)用了地下深層土壤的特征，從而達(dá)到使用自然資源進(jìn)行熱交換，基本實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的環(huán)保目的。因?yàn)橥寥缹儆诳稍偕Y源，不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生污染情況，因此地源熱泵系統(tǒng)的可適用范圍比較大，在運(yùn)行使用過(guò)程中比較可靠。

1.2 地源熱泵案例

在陜西省延安市黃陵縣梨園新區(qū)黃五路與濱河路交叉口西南角，福澤路以北的“黃陵姬水灣花園小區(qū)”項(xiàng)目采用復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)。前期準(zhǔn)備：巖土工程勘察、熱響應(yīng)測(cè)試（二次）、對(duì)地源熱泵進(jìn)行專家論證、進(jìn)行熱能分析及逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算。

經(jīng)過(guò)前期方案征集以及多次計(jì)算，最終確定：按冬季設(shè)計(jì)負(fù)荷60%選定地源熱泵機(jī)組容量，冬季高峰負(fù)荷按冬季設(shè)計(jì)負(fù)荷45%由城市熱網(wǎng)解決。埋管負(fù)荷以冬季設(shè)計(jì)負(fù)荷為主，并充分考慮夏季設(shè)計(jì)負(fù)荷對(duì)大地的影響，以確保排熱量與取熱量相同。

2 地源熱泵系統(tǒng)的安裝

2.1 安裝工序

地源熱泵安裝企業(yè)在進(jìn)行地源熱泵系統(tǒng)安裝之前，會(huì)對(duì)地溫進(jìn)行專業(yè)的物性測(cè)試，在完成測(cè)試后，工作人員可以進(jìn)行地源熱泵的打孔操作，隨后相關(guān)作業(yè)人員需要將換熱管下井，并使用準(zhǔn)備好的原漿開(kāi)始回灌操作。施工人員需要開(kāi)挖一個(gè)可安裝水平管的溝槽，相關(guān)作業(yè)人員需要使用細(xì)砂對(duì)井孔區(qū)域進(jìn)行回灌[2]。安裝人員可以使用聚乙烯（PE）水平管進(jìn)行連接，在完成水力平衡器的安裝操作之后，工作人員可以運(yùn)用水平PE管開(kāi)展細(xì)砂回填操作。工作人員完成地源熱泵的機(jī)組安裝操作后，需要進(jìn)行控制器的安裝工作，最后進(jìn)行標(biāo)牌懸掛操作即可。

2.2 地源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

首先，系統(tǒng)冷、熱源:地埋管地源熱泵與吸收式蒸氣溴化鋰機(jī)組相結(jié)合，搭配城市熱網(wǎng)輔助，對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)峰。按冬季設(shè)計(jì)負(fù)荷60%選定地源熱泵機(jī)組容量，冬季高峰采用城市熱網(wǎng)進(jìn)行調(diào)峰。夏季高峰采用吸收式蒸氣溴化鋰機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰。其次，地源熱泵地下?lián)Q熱器系統(tǒng)地下部分，通過(guò)PE100高密度聚乙烯（承壓1.6MPa）。換熱器系統(tǒng)分設(shè)在住宅樓、室外綠地下，采用D32雙U型垂直埋設(shè)，孔間距5m，介質(zhì)為水，埋管深度100m。共布置550組地下?lián)Q熱器及三個(gè)監(jiān)測(cè)井，其中6棟18層下243組，室外綠地下95組，6棟17層下212組。各地下?lián)Q熱器連接均采用同程式連接，通過(guò)分區(qū)的集分水器匯總。該土壤熱泵地下?lián)Q熱器系統(tǒng)為“黃陵姬水灣花園小區(qū)”項(xiàng)目復(fù)合式空調(diào)冷熱源中的一部分。再次，在地源熱泵安裝資金運(yùn)用合理的基礎(chǔ)上，冷源、熱源的選擇應(yīng)該盡量使用一些地?zé)崮?、太?yáng)能等可再生的能源進(jìn)行設(shè)計(jì)處理，施工企業(yè)在使用可再生的能源難以確保地源熱泵穩(wěn)定性的時(shí)候，工作人員方可設(shè)計(jì)一些輔助進(jìn)行制冷、供熱的方案。

結(jié)合《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》的相關(guān)規(guī)定可知，冬季設(shè)置的熱負(fù)荷需要低于夏季設(shè)計(jì)的冷負(fù)荷，因此依照夏季時(shí)節(jié)進(jìn)行的熱負(fù)荷情況，施工企業(yè)在選取地源熱泵種類的時(shí)候，工作人員需要盡量選擇使用具有高效能的地源熱泵機(jī)組。

3 地源熱泵系統(tǒng)安裝的可行性分析

3.1 管路施工

如果地源熱泵的設(shè)計(jì)區(qū)域在陜西省延安市，該市的土壤條件符合地源熱泵土壤要求，設(shè)計(jì)人員可以選擇使用水平型埋管或者垂直型埋管進(jìn)行埋管設(shè)計(jì)。埋管數(shù)量的選擇和埋管深度的設(shè)計(jì)與地源熱泵的冷熱量實(shí)際需要具有直接的聯(lián)系，地源熱泵的熱量需求越多，地源熱泵系統(tǒng)所需運(yùn)用的埋管數(shù)量會(huì)越多，埋管深度越大。地源熱泵企業(yè)需要在進(jìn)行地源熱泵系統(tǒng)的管路施工過(guò)程中，結(jié)合地源熱泵系統(tǒng)的熱量，選擇一個(gè)比較合適的埋管方式以及埋管數(shù)量，即可以充分滿足地源熱泵系統(tǒng)的時(shí)節(jié)要求。

3.2 地質(zhì)條件

在進(jìn)行地源熱泵系統(tǒng)打井的過(guò)程中，相關(guān)工作人員應(yīng)該充分考慮進(jìn)行系統(tǒng)打井的區(qū)域以及打井區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)需求。擬建場(chǎng)地地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，底層平緩，無(wú)巖漿巖侵入，是華北地區(qū)最穩(wěn)定的部分[3]。延安市黃陵縣屬黃河中游地區(qū)，區(qū)域內(nèi)主要河流有沮河和葫蘆河，屬北洛河水系的兩大支流。本建筑場(chǎng)地處于一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定地帶，場(chǎng)地上部覆蓋層為一套河流沖積物，下浮基巖為三疊紀(jì)（T）泥漿、砂巖互層，屬非可溶巖，不存在巖溶現(xiàn)象，巖基穩(wěn)定性良好。

3.3 投資條件

地源熱泵系統(tǒng)初期階段的投資金額通常會(huì)高于預(yù)期的方案，因?yàn)樵撓到y(tǒng)在前期階段的投資金額比較高，所以該系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行期限可以達(dá)到50年以上，在國(guó)家積極倡導(dǎo)節(jié)能降耗的環(huán)境下，地源熱泵系統(tǒng)具有的優(yōu)勢(shì)也會(huì)逐漸地發(fā)揮出來(lái)。在地源熱泵系統(tǒng)安裝的投資金額比較充足的背景下，地源熱泵技術(shù)已經(jīng)成為比較適合的冷熱源設(shè)計(jì)方案，正常情況下，較大型的建筑以及冷熱源實(shí)際需求比較大的建筑比較適合使用該方案。

4 地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)冷熱源方案的對(duì)比

常規(guī)形式的建筑冷熱源方案設(shè)計(jì)，通常是將冷水機(jī)組和市政熱水系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合使用，地源熱泵系統(tǒng)的安裝相比于常規(guī)形式的建筑冷熱源方案具有更加明顯的節(jié)能效果。

4.1 初投資費(fèi)用

初期的投資費(fèi)用主要涵蓋了建筑工程的施工費(fèi)用、設(shè)備采購(gòu)的費(fèi)用、地源熱泵系統(tǒng)安裝的費(fèi)用。根據(jù)初期投資的費(fèi)用來(lái)看，地源熱泵系統(tǒng)的投資金額高于常規(guī)形式的建筑冷熱源方案設(shè)計(jì)。

4.2 全生命周期費(fèi)用

如果將地源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際使用期限視為20年，地源熱泵系統(tǒng)的全生命周期費(fèi)用達(dá)到了八百多萬(wàn)元，而建筑冷熱源方案設(shè)計(jì)的全生命周期費(fèi)用可以達(dá)到九百多萬(wàn)元，因此可以清晰地了解到建筑冷熱源方案設(shè)計(jì)的全生命周期費(fèi)用更多，因此從全生命周期費(fèi)用角度分析，選擇地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案會(huì)更好。

4.3 環(huán)保

根據(jù)節(jié)能環(huán)保角度進(jìn)行分析，以電能為重要能源的建筑冷熱源方案設(shè)計(jì)，盡管在目標(biāo)的建筑位置并未出現(xiàn)污染問(wèn)題，但是發(fā)電廠在進(jìn)行發(fā)電的過(guò)程中使用化石燃料進(jìn)行燃燒將會(huì)產(chǎn)生很多有害物質(zhì)造成環(huán)境受到污染。因此從節(jié)能環(huán)保的角度進(jìn)行分析，地源熱泵系統(tǒng)更加符合時(shí)代要求。

5 地源熱泵技術(shù)的特點(diǎn)

5.1 高效節(jié)能

地源熱泵的主機(jī)可以直接從地下水或地下土壤獲得大量的熱量，主機(jī)每使用1kWh 即可以產(chǎn)生3-5.5kWh 以上的熱能，因?yàn)?，地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用等同于直接使用電能的1/4，等同于液化燃?xì)饽芰康?5%，等同于燃燒油能產(chǎn)生能量的1/2，等同于天然氣產(chǎn)生能量的3/5。因此地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，基本上可以和燃燒產(chǎn)生的能量以及太陽(yáng)能進(jìn)行制熱的運(yùn)行成本處于持平狀態(tài)，室外的溫度越高，地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間會(huì)逐漸縮短，地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果比較好。

5.2 清潔環(huán)保

將地源熱泵技術(shù)和煤油燃?xì)?、燃煤熱水系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，地源熱泵系統(tǒng)并不會(huì)向周邊環(huán)境排出有毒有害的污染物質(zhì)，更不會(huì)造成溫室效應(yīng)以及引起大氣污染。因?yàn)榈卦礋岜孟到y(tǒng)對(duì)于能源的損耗量處于極低的狀態(tài)，能夠降低燃燒廢氣的出現(xiàn)，可以滿足我國(guó)現(xiàn)有的節(jié)能環(huán)?；菊撸€會(huì)為國(guó)家以及社會(huì)產(chǎn)生比較好的經(jīng)濟(jì)效益。

5.3 安全

相比于電熱水器，地源熱泵系統(tǒng)的機(jī)組內(nèi)部存在高壓保護(hù)裝置、壓縮機(jī)過(guò)載保護(hù)裝置、啟動(dòng)延時(shí)裝置、水溫溫度過(guò)高的保護(hù)裝置等多重維護(hù)系統(tǒng)安全的保護(hù)裝置，從根源上防止了漏電現(xiàn)象、干燒現(xiàn)象、超高溫現(xiàn)象等隱患問(wèn)題的出現(xiàn)。地源熱泵的機(jī)組并不需要將燃料直接輸送到管道區(qū)域，不會(huì)發(fā)生燃料泄漏問(wèn)題以及火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

5.4 制熱速度比較快

地源熱泵系統(tǒng)在20℃的溫度之下，地源熱泵系統(tǒng)的制熱速度實(shí)際上是電熱水器進(jìn)行供熱的4倍，等同于燃?xì)鉄崴鞴岬?倍，等同于太陽(yáng)能熱水器進(jìn)行供熱的8倍，因此地源熱泵系統(tǒng)的制熱速度比較快。

5.5 智能化控制

地源熱泵系統(tǒng)基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化的控制方式，操作起來(lái)比較方便。地源熱泵系統(tǒng)主要使用電腦進(jìn)行控制，可以自動(dòng)進(jìn)行啟動(dòng)和暫停，也可以多臺(tái)地源熱泵設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合使用，工作人員可以直接依照地源熱泵負(fù)荷的變動(dòng)進(jìn)行設(shè)備開(kāi)啟數(shù)量的控制。

5.6 符合國(guó)家節(jié)能環(huán)保政策

現(xiàn)如今國(guó)家對(duì)于環(huán)保、降耗、節(jié)能、減排的重視程度逐漸增強(qiáng)，一些難以滿足國(guó)家界定的設(shè)備安全穩(wěn)定性的供熱制冷設(shè)備將會(huì)被逐漸淘汰，地源熱泵系統(tǒng)符合國(guó)家環(huán)保節(jié)能的政策，地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用空間將更為廣闊。

6 地源熱泵系統(tǒng)的可行性分析

6.1 地源熱泵技術(shù)的可行性研究

在使用地埋管形式的地源熱泵系統(tǒng)過(guò)程中，相關(guān)工作人員需要全面了解建筑工程施工現(xiàn)場(chǎng)可進(jìn)行埋管的面積以及土壤條件，施工企業(yè)需要向當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)部門進(jìn)行咨詢，并獲取工程施工區(qū)域的勘察檢測(cè)資料。如果施工場(chǎng)地不具有勘察檢測(cè)資料，施工企業(yè)需要邀請(qǐng)專業(yè)的檢測(cè)人員開(kāi)展地質(zhì)條件勘察工作，并根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案以及施工設(shè)計(jì)圖紙為進(jìn)行打井埋管操作做好充分的施工準(zhǔn)備工作。

施工企業(yè)需要進(jìn)行安裝方案的可行性研究，進(jìn)一步確保使用地埋管形式的地源熱泵方案的可行性，并依照設(shè)計(jì)方案完成好施工現(xiàn)場(chǎng)的施工設(shè)計(jì)。在使用水源形式的熱泵系統(tǒng)時(shí)，施工企業(yè)需要深入分析建筑工程施工現(xiàn)場(chǎng)的水源狀況，并需要邀請(qǐng)專業(yè)的檢測(cè)人員開(kāi)展施工區(qū)域水文環(huán)境的地質(zhì)勘察。施工企業(yè)可以根據(jù)熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案以及施工設(shè)計(jì)圖紙，了解施工區(qū)域是否存在可利用的水源，從而確保在熱泵系統(tǒng)安裝的過(guò)程中，使用地下水還是使用地表水進(jìn)行供水水源的方案設(shè)計(jì)。

6.2 地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)方面的可行性分析

地源熱泵系統(tǒng)基本上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的供熱作用、制冷作用、提供生活熱水的目標(biāo)，地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際上是高效進(jìn)行節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分地運(yùn)用了很多可再生能源。相關(guān)工作人員使用地源熱泵技術(shù)自處于常溫狀態(tài)的土壤中進(jìn)行吸熱操作或向土壤進(jìn)行排熱操作，土壤中蘊(yùn)含的能量相當(dāng)于可再生的清潔類能源，可持續(xù)進(jìn)行運(yùn)用。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)文章的分析和研究得知，地源熱泵技術(shù)可行性分析是推動(dòng)地源事業(yè)全面發(fā)展的有效手段。本文研究中提出的幾點(diǎn)建議，主要圍繞地源熱泵技術(shù)，注重地源熱泵技術(shù)的可行性分析才能更好地提升地源熱泵技術(shù)的綜合水平。在我國(guó)地源事業(yè)不斷發(fā)展下，將會(huì)出現(xiàn)多樣化的地源熱泵安裝模式，作為地源企業(yè)的工作人員，應(yīng)重視自身可行性分析能力的提升，進(jìn)而為地源熱泵提供優(yōu)質(zhì)的可行性分析服務(wù)。