浅析地源热泵适用性

 摘要：地源热泵是一种利用浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能空调设备。冬季把地能中的热量取出来，供给室内采暖；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中。 

　　关键词： 

　　地源热泵 天津地区 适用性 

　　中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号： 

　　一、地源热泵简介 

　　众所周知地下2-3米以下的土壤、河水、地下水温度常年基本恒定，始终保持在13℃-26℃，地源热泵是充分利用了这一特点，把专用管道埋入地下深处或地表水（河、湖）等处，通过与地下土壤或河水等进行热量交换。而传统中央空调利用空气进行热量交换，但空气的温度变化很大，夏季一般达到32℃-36℃，空调机组为了换热就要耗费更大的能量，相当于在低温的环境中提取冷量比在36℃的环境要容易的多，实际节能效果达30%-50%。 

　　二、地源热泵系统分类及其优缺点 

　　1、水平式地源热泵 

　　通过水平埋置于地表面2-4米以下的闭合换热系统，它与土壤进行冷热交换。此种系统适合于制冷供暖面积较小的建筑，如别墅和小型单体楼。 

　　优点：初投资较小，施工费用相对较低；缺点：占地面积较大。 

　　2、垂直式地源热泵 

　　通过垂直钻孔将闭合换热系统埋置在50M～400M深的岩土体与土壤进行冷热交换。此种系统适合于制冷供暖面积较大的建筑物，周围有一定的空地，如别墅和写字楼等。 

　　优点：运行及维护费用低；占地面积较小；冬季无需辅助热源，不产生任何污染，节能效果明显；缺点：初投资费用稍高，施工难度较大 

　　3、地表水式地源热泵 

　　地源热泵机组通过布置在水底的闭合换热系统与江河、湖泊、海水等进行冷热交换。此种系统适合于中小制冷供暖面积，临近水边的建筑物。利用池水或湖水下稳定的温度和显著的散热性，不需钻井挖沟，初投资最小。但需要建筑物周围有较深、较大的河流或水域。 

　　优点：运行及维护费用低，无需占用土地，室外施工费用低，不产生任何污染；缺点：需临近较大面积水域，系统效率低于其他方式。 

　　4、地下水式地源热泵 

　　地源热泵机组通过机组内闭式循环系统经过换热器与由水泵抽取的深层地下水进行冷热交换。地下水排回或通过加压式泵注入地下水层中。此系统适合建筑面积大，周围空地面积有限的大型单体建筑和小型建筑群落。 

　　优点：运行及维护费用低，室外施工费用较低，冬季无需辅助热源，建筑周围环境影响小，不产生任何污染，换热效率高，节能效果明显；缺点：打井受政策限制，系统易受地下水源状况影响。 

　　三、天津地区地源热泵适应性 

　　天津地处温带地区，冬季供热负荷和夏季制冷负荷相差不大，容易平衡，不会导致地下积聚过多的热量和冷量。缺点以及应该注意的问题： 

　　1、天津地区地层条件复杂，咸水埋深较浅。建设地埋管式土壤源热泵项目极易造成咸淡水串层，导致地下水污染，对打井工艺要求很高。况且，国内的设备材质、生产工艺水平与国外尚有一定差距，在设计和施工时应注意这方面的问题。 

　　2、土壤源热泵还存在着初投资大、施工困难、埋地换热器受土壤物性影响较大、连续运行时热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度的影响而发生波动及土壤导热系数小而导致埋地换热器的面积较大等不足之处。 

　　3、大面积埋管的大型工程中往往导致地下换热器系统的实际换热能力与装机容量、建筑物排入土壤的瞬时冷/热负荷和积累量不匹配，使得地温逐年升高或者下降，系统的供热供冷能力因而逐年下降。这在潜层地下水流速偏低的地区、埋管数量大的、冷热负荷差别大的项目中问题尤其突出。另外，施工前期测试方法不正确，测得的原始地温与土壤层导热系数不准确，也是导致设计埋管长度不合理的重要原因之一。 

　　四、土壤源热泵局限性 

　　1、埋地换热器受土壤性能影响较大 

　　土壤的热工性能、能量平衡、土壤中的传热与传湿对传热有较大影响，连续运行时热泵的冷凝温度和蒸发温度受土壤温度的变化发生波动，土壤导热系数较小，换热量较小。已有的经验表明，其持续吸热速率一般为25W/�，所以当供热量一定时，换热盘管占地面积较大，埋管的敷设无论是水平开挖布置还是钻孔垂直安装，都会增加土建费用。地源供暖技术对地能资源的收集，主要集中在100米以内的浅地层。土壤换热器的性能在不同地质条件下差别较大。理想的地质条件是较高的导热系数、热容量高、较高的土壤含水率及迁移速度。一般各类岩石的导热系数最大，砂土次之，黏土最小，但是由于岩石孔隙率低导致含水量低，因此岩石用于土壤换热器的持久性最差，黏土次之，砂土最好。 

　　2、土壤源热泵适用范围 

　　土壤源热泵较适合的建筑物类型是负荷波动小，使用稳定的中等规模住宅、酒店、办公楼、别墅等，不适宜用于负荷使用随机性高或负荷较大的会堂、剧院、高负荷密度的、大型的公共建筑，集合住宅小区，只适用于低密度的独栋住宅，以及有足够场地的小型公共建筑。某些工程项目由于埋管数量受限，导致夏季相当长的时间管内水温达到30℃以上，跟冷却塔没有区别，这样的项目就是没有意义的，增加了初投资。对于我国严寒和寒冷地区不得不采用不平衡系统的情况，应该保证换热器彼此平均间距在25m以上，故适用于超低容积率的、独栋小负荷建筑群（如别墅、边远山区加油站）或独立建筑。 

　　土壤源热泵系统的规模不宜过大或过小，每个系统在3000�-50000�比较适宜。系统过大因地埋管换热器水系统距离过远，输送能耗增大，水力难以平衡；过小则相对初投资过高，系统利用率较低。土壤源热泵系统不适用于高能耗建筑，因为土壤源热泵系统比常规系统初投资大大增加，比常规热泵机组增加了土壤换热器部分，对于有洁净要求、高除湿要求或较低（高）设定温度等要求的高负荷建筑物采用地源热泵是不经济的，较多的土壤换热器也会给布置带来困难。因此对于有洁净要求、高除湿要求或较低（高）设定温度的高负荷建筑，采用土壤源热泵是不经济的。 

　　五、国内住宅现状 

　　欧美国家，土壤源热泵系统多用于低容积率、低负荷密度的建筑，单个系统垂直埋管数量多数不超过120根。即便是较大规模的建筑群，也一定要分成多个系统，每个系统的埋管位置也尽可能分散。而目前在我国，土壤源热泵被大量用于高容积率的住宅小区以及高负荷密度的公共建筑。由于可利用土地面积有限，井孔不得不密集布置，严重制约了地层的热恢复能力，使得系统的实际供热供冷能力低于期望值。由于住宅建筑的冷热负荷明显属于间歇性的负荷，特别是冷负荷的间歇特征尤为显著，只要有少数居民在家系统就必须供冷或供热，连续供热供冷必然导致额外大量的水泵和风机电耗，并增加了建筑的实际耗冷量或耗热量。所以采用土壤源热泵系统做成集中供热供冷不适用于我国的集合住宅建筑。 

　　土壤源热泵节能，但适用范围有限，不适合集中住宅，适用于超低容积率的小负荷建筑或有足够场地的小型公共建筑。因此在选择地源热泵时不仅要考虑技术的可靠性、投资的大小、区域的地址特性、运行费用的高低以及维护保养的难易程度等,还要考虑国家能源政策及相关要求。在决策之前应详细考察各个方面的情况,通过技术经济和可行性分析,选择合理的方案。 

　　参考文献： 

　　[1]万仁里，谈地源热泵，全国热泵和空调技术交流会论文集，2001.10 

　　[2]赵军，季新国，等，地源热泵的工程应用与环保节能特性分析，全国热泵和空调技术交流会论文集，2001.10 

　　[3]龚宇烈，赵军，等，地源热泵在美国的工程应用及发展，全国热泵和空调技术交流会论文集，2001.10 

　　[4]袁伟峰，赵军等，供暖用土壤源热源系统，节能，No.1 2002