土壤源熱泵特性分析及其在天津地區(qū)的應(yīng)用
作者：李忠實(shí) 王一飛
摘要：針對(duì)我國(guó)能量利用現(xiàn)狀和建設(shè)綠色建筑的需求，本文著重介紹了土壤源熱泵優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍，并針對(duì)天津地區(qū)的現(xiàn)狀和開發(fā)背景，提出了在天津地區(qū)發(fā)展土壤源熱泵項(xiàng)目時(shí)特有的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)該注意的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：土壤源熱泵適用范圍天津地區(qū)
Abstract:Aiming at the actuality of energy using in our country and the request of green building, this paper introduce the advantage and disadvantage of Geothermal Heat Pump and its using areas. With the background of Tianjin area, we point out the advantages of Tianjin area in the development of Geothermal Heat Pump and some present issues
Keywords:Geothermal Heat Pump using area Tianjin area
1 引言
當(dāng)今世界，環(huán)境污染和能源危機(jī)成為威脅人類生存的頭等大事。隨著人類生活水平的提高，中央空調(diào)的能耗占整個(gè)世界能源消耗的比例不斷增加，而中央空調(diào)的能耗中絕大部分是消耗在冷熱源上。因此，國(guó)內(nèi)外廣大專業(yè)人士一直努力尋求高效節(jié)能且環(huán)保的空調(diào)冷熱源，建筑綠色建筑。
對(duì)于綠色建筑應(yīng)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[1]：
1、建筑與自然的共生：即要求保持環(huán)境、利用環(huán)境、防御自然災(zāi)害。保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)并減少CO，及其他大氣污染物的排放，保持建筑周邊環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的平衡；充分利用太陽(yáng)能、地?zé)崮苓M(jìn)行供暖、供熱、采光以及通風(fēng)，充分考慮綠化配置，軟化人工建筑環(huán)境；考慮建筑物的朝向等。
2、應(yīng)用減輕環(huán)境負(fù)荷的建筑節(jié)能技術(shù)：即降低能耗、延長(zhǎng)使用壽命、使用環(huán)保的材料，注重能源的再利用、使用耐久性強(qiáng)的建筑材料及可循環(huán)再生材料的利用。
3、循環(huán)再生型的建筑生涯。循環(huán)利用始終貫穿到整個(gè)建筑生涯。
4、創(chuàng)造健康、舒適的室內(nèi)環(huán)境。包括健康持久的生活環(huán)境，優(yōu)良的空氣質(zhì)量等。
5、使建筑融人歷史與地域的人文環(huán)境。即繼承地方傳統(tǒng)的施工工藝，繼承和保護(hù)城市與地域的景觀特色，保持城市的恒久魅力和活力。
土壤源熱泵系統(tǒng)是一種利用地下淺層的熱資源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等），通過(guò)輸入少量的高位能（如電能），將低溫位能向高溫位能轉(zhuǎn)移，以實(shí)現(xiàn)既可供熱又可制冷的高效節(jié)能的綠色空調(diào)系統(tǒng)。
在建筑綠色建筑的過(guò)程中，土壤源熱泵是一種可以廣泛應(yīng)用的系統(tǒng)形式。
2 土壤源熱泵的優(yōu)缺點(diǎn)及分類
2.1 土壤源熱泵的優(yōu)點(diǎn)
土壤源熱泵利用土壤一年四季溫度穩(wěn)定的特點(diǎn)，冬季把土壤能作為熱泵供暖的熱源，即把高于環(huán)境溫度的地能中的熱能取出來(lái)供給室內(nèi)采暖，夏季把土壤能作為空調(diào)的冷源，即把室內(nèi)的熱能取出來(lái)釋放到底于環(huán)境溫度的土壤中[2]。通常土壤源熱泵消耗1KW的熱量，用戶可以得到4KW左右的熱量或冷量，從而達(dá)到節(jié)能的目的，而且在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，不產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保的功效。土壤源熱泵的工作原理如圖1所示：
圖1 土壤源熱泵工作原理
A-地下循環(huán)環(huán)路；B-熱泵工作環(huán)路；C-室內(nèi)熱交換環(huán)路
該系統(tǒng)有如下特點(diǎn)[3]：
1、資源可再生利用，土壤源熱泵技術(shù)利用地球表面淺層地?zé)豳Y源（地能）作為冷熱源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，而地表淺層是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，收集了47%的太陽(yáng)能，相當(dāng)于人類每年利用能量的500多倍，且不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無(wú)處不在。這是儲(chǔ)存于地表淺層近乎無(wú)限的可再生能源，也是清潔能源。與地面上環(huán)境空氣相比，地面5m以下土壤溫度全年基本穩(wěn)定且略低于年平均氣溫，可以分別在夏冬季提供相對(duì)較低的冷凝溫度和較高的蒸發(fā)溫度。所以從熱力學(xué)原理上講，土壤是一種比環(huán)境空氣更好的熱泵系統(tǒng)的冷熱源。而且土壤源熱泵系統(tǒng)不會(huì)把熱量、水蒸氣及細(xì)菌等排人大氣環(huán)境，符合當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。通常土壤源熱泵消耗lKW 的能量，用戶可以得到4KW 以上的熱量或冷量，這多出來(lái)的能量就是來(lái)自土壤的能源。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機(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。據(jù)美國(guó)環(huán)保署EPA估計(jì)，設(shè)計(jì)安裝良好的土壤源熱泵，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。高效的土壤源熱泵機(jī)組，平均產(chǎn)生1冷噸的冷量?jī)H需0.88kW 的電力消耗，其耗電量?jī)H為普通冷水機(jī)組加鍋爐系統(tǒng)的3O％～60％；
2、投資少，運(yùn)行費(fèi)用低，與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，其一次性投資可節(jié)省15%~25%，每年運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)約40%左右。采用土壤源熱泵系統(tǒng)，由于土壤的溫度理，土壤源熱泵可以比風(fēng)冷熱泵具有更高的效率和更好的可靠性，其熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為l0-25℃。而且土壤源熱泵系統(tǒng)可用于供暖、空調(diào)，還可提供生活熱水，一套系統(tǒng)可以替換原來(lái)的鍋爐、空調(diào)制冷裝置或系統(tǒng)，一機(jī)多用；不僅適用于賓館、商場(chǎng)、辦公樓、學(xué)校等建筑，更適合于別墅住宅的供熱和空調(diào)。此外，機(jī)組使用壽命長(zhǎng)，均在20年左右；機(jī)組緊湊、節(jié)省空間：維護(hù)費(fèi)用低；自動(dòng)化控制程度高，可無(wú)人值守。土壤源熱泵中的熱源不是指地?zé)崽镏械臒釟饣驘?溫)水，而是指一般的常溫土壤，所以對(duì)地下熱源沒(méi)有特殊要求，可在中國(guó)絕大部分地區(qū)應(yīng)用。
土壤源熱泵系統(tǒng)的COP值一般在3~6左右，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40％左右，其運(yùn)行費(fèi)用為普通中央空50％~60％。
3、占地面積少，機(jī)房占地面積小，節(jié)省空間，可設(shè)在地下；
4、綠色環(huán)保，土壤源熱泵系統(tǒng)利用地球表面淺層地?zé)豳Y源，沒(méi)有燃燒，沒(méi)有排煙及廢棄物，情節(jié)環(huán)保，無(wú)任何污染，土壤源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少40％以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70％以上，如果結(jié)合其它節(jié)能措施節(jié)能會(huì)更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調(diào)裝置減少25％的充灌量；土壤源熱泵系統(tǒng)屬自含式系統(tǒng)，即該裝置能在工廠車間內(nèi)事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機(jī)率大為減少。該裝置的運(yùn)行沒(méi)有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，安裝在綠地、停車場(chǎng)下，沒(méi)有燃燒，沒(méi)有排煙，也沒(méi)有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場(chǎng)地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。土壤源熱泵系統(tǒng)沒(méi)有冷卻塔和其它室外設(shè)備，沒(méi)有中央空調(diào)集中占地問(wèn)題，節(jié)省了空間和地皮，為開發(fā)商帶來(lái)額外利潤(rùn)，產(chǎn)生附加經(jīng)濟(jì)效益，并改善了建筑物的外部形象；
5、自動(dòng)化程度高，機(jī)組內(nèi)部及機(jī)組與系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，可根據(jù)室外溫度變化及室內(nèi)溫度要求控制機(jī)組啟停，達(dá)到最佳節(jié)能效果，同時(shí)節(jié)省了人力物力；
6、可自主調(diào)節(jié)機(jī)組，能夠任意調(diào)機(jī)，投資者可按需要調(diào)整供應(yīng)時(shí)間及溫度，完全自主；
7、一機(jī)多用，即可供暖，又可制冷，在制冷時(shí)產(chǎn)生的余熱還可提供生活生產(chǎn)熱水或?yàn)橛斡境丶訜?，最大限度的利用了能源?/span>
2.2 土壤源熱泵的缺點(diǎn)
1、埋地?fù)Q熱器受土壤性能影響較大，土壤的熱工性能、能量平衡、土壤中的傳熱與傳濕對(duì)傳熱有較大影響[4]；
2、連續(xù)運(yùn)行時(shí)熱泵的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度受土壤溫度的變化發(fā)生波動(dòng)；
3、土壤導(dǎo)熱系數(shù)較小，換熱量較小。已有的經(jīng)驗(yàn)表明，其持續(xù)吸熱速率一般為25W/m2，所以當(dāng)供熱量一定時(shí)，換熱盤管占地面積較大，埋管的敷設(shè)無(wú)論是水平開挖布置還是鉆孔垂直安裝，都會(huì)增加土建費(fèi)用。
2.3 土壤源熱泵的分類
2.3.1按地下埋管系統(tǒng)分類
地下埋管熱泵系統(tǒng)按埋管形式可分為水平埋管熱泵和垂直埋管熱泵。水平埋管是目前工程實(shí)例中常采用的，多其用于采暖。而垂直埋管一般認(rèn)為其性能優(yōu)于水平埋管系統(tǒng)，但施工難度相對(duì)高一些。
1、水平埋管熱泵系統(tǒng)
關(guān)于水平埋管熱泵的研究開始于1930年到1940年。現(xiàn)在歐洲普遍使用的此類系統(tǒng)多只用于采暖。水平盤管系統(tǒng)有單層和雙層兩種形式，可采用U形，蛇形，單槽單管單槽多管等形式。單層是最早也是最常用的一種形式，一般的設(shè)計(jì)管埋深度為0.5m到2.5m之間。由于土壤飽和度不同，壕溝深度也不同。若整個(gè)冬季土壤均處于飽和狀態(tài)，壕溝的深度就一定要大于l.5m 同時(shí)用于采暖．管埋深度超過(guò)1.5m蓄熱就慢，而小于0.8m,盤管就會(huì)受地面冷卻和結(jié)凍的影響，另外管間距小于1.5m，盤管間可能會(huì)產(chǎn)生固體冰晶并使春季蓄熱減少。雙層盤管系統(tǒng)一層約在1.2m深，另一層約在1.9m深，即先在l.9m深敷設(shè)一層管道再回填至1.2m深鋪設(shè)另一層雙層鋪設(shè)大幅度降低了挖掘深度和填土需砂石量。
2、垂直埋管熱泉系統(tǒng)
垂直埋管熱泉系統(tǒng)有淺埋和深埋兩種。淺埋深度為8m到10m．安裝成環(huán)形、六邊形或直角形，并采用同軸柔性套管。這種設(shè)計(jì)是由Ambrose在1946年提出的，增大外殼直徑是為了提高熱交換性能。深埋的鉆孔深度由現(xiàn)場(chǎng)鉆孔條件及經(jīng)濟(jì)條件決定，一般為33m到180m不等。溶液在垂直的U 形彎管中循環(huán)。為了減少泵容量，有必要采用平行埋設(shè)，在垂直埋管系統(tǒng)中。管道深入地下，土壤熱特性不會(huì)受地表溫度影響。因此能確保冬季散熱與夏季得熱間土壤的熱平衡。平衡的方法可以采用集熱器，在夏季集中熱量并送入地下加熱土壤，或使熱泵反轉(zhuǎn)在夏季為土壤加熱，以備冬季之用。集熱設(shè)備一般采用太陽(yáng)能和風(fēng)能集熱，此類設(shè)備具有高蓄熱能力、溫升能力。
垂直埋管熱泵系統(tǒng)較水平系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)。首先它不需像水平埋管系統(tǒng)那樣需要大的場(chǎng)地面積。其次在許多地區(qū)，地面以下的一段距離，土壤處于濕度飽和狀態(tài)，而這段距離又正是熱交換器所在的位置，因此對(duì)熱交換有利。在制冷季節(jié)，水平系統(tǒng)流入盤管中的溶液加熱了飽和的土壤層使水分降低，從而降低了土壤導(dǎo)熱率。使得熱交換的效率也降低。而垂直埋管中，這種水分轉(zhuǎn)移只有很小的一部分。而且垂直埋管熱泵的穩(wěn)定工況和部分負(fù)荷的運(yùn)行效率比滿負(fù)荷情況好，而一般的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況是在滿負(fù)荷情況下，但實(shí)際卻很少在此情況下運(yùn)行，效率也就很難保證是在高效區(qū)。
2.3.2按中有無(wú)中間流體分類
按有無(wú)中間流體分類，土壤源熱泵分為一次流體地偶熱泵，即在制冷劑和大地之間存在一種中間流體，多為水、鹽水或乙二醇溶液；另一種用得較少的系統(tǒng)是直接膨脹式地偶熱泵系統(tǒng)，即利用大量制冷劑直接在地下盤管內(nèi)與環(huán)境進(jìn)行熱交換。
2.3.3按與土壤環(huán)繞管道材料分類
現(xiàn)在用于土壤系統(tǒng)的管道材料多采用熱熔性塑料，包括聚乙烯管、聚丁烯管和聚氯乙烯管(PVC)?？梢?jiàn)，PVC管的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)低，所以不適合用于此類系統(tǒng)下的導(dǎo)熱材料。試驗(yàn)表明，若使土壤導(dǎo)熱性提高一倍，在連續(xù)運(yùn)行情況下，聚乙烯管道的熱交換升高25％，而PVC管只升高l2％。所以應(yīng)盡量采用高密度聚乙烯材料，盡管金屬具有良好的導(dǎo)熱性，它們的性能比高密度聚乙烯提高不多，但造價(jià)昂貴。另外由于高密度聚乙烯具有高強(qiáng)度和抗腐蝕能力，所以選用這一類柔性材料作為地下埋管換熱材料的土壤源熱泵系統(tǒng)壽命可長(zhǎng)達(dá)50年之久。由于土壤熱交換與管徑并沒(méi)有很明顯的關(guān)系，所以管徑的選擇是出于管道壓力損失而產(chǎn)生的運(yùn)行費(fèi)用與管道造價(jià)的折衷考慮，一般取20mm到50mm。
3 土壤源熱泵的適用范圍
地能供暖技術(shù)對(duì)地能資源的收集，主要集中在100米以內(nèi)的淺地層。這一范圍地質(zhì)結(jié)構(gòu)是多樣的，既有黏土也有砂土，砂土中既有粗砂也有細(xì)砂，還有卵石加砂，有的甚至是基巖。這些不同的構(gòu)造，其滲水率和熱導(dǎo)率都不同，滲水率高的只適用于水源熱泵技術(shù)，熱導(dǎo)率高的就適用于土壤源熱泵技術(shù)。
4 天津地區(qū)的應(yīng)用
4.1 天津地區(qū)運(yùn)用土壤源熱泵的背景
天津地區(qū)現(xiàn)有的供熱(包括洗浴、飲水等)系統(tǒng)基本上是由各行政單位的燃煤鍋爐承擔(dān)，其供熱管網(wǎng)也布置在本單位的范圍內(nèi)。煤煙污染嚴(yán)重，能源浪費(fèi)大，安全隱患多的現(xiàn)象比較突出。近年來(lái)，天津陸續(xù)進(jìn)行了鍋爐房聯(lián)網(wǎng)改造等，使上述現(xiàn)象正在得到逐步地改善
4.2 天津港地區(qū)運(yùn)用土壤源熱泵的現(xiàn)狀
天津市地?zé)豳Y源勘探開發(fā)起步于70年代，地?zé)崽锏囊?guī)模大、儲(chǔ)量高，折合電能大于50兆瓦。天津市地?zé)嶂苯永米咴谌珖?guó)的前列，至2001年，用于供暖的地?zé)峋_(dá)200余口，地?zé)峁┡娣e已達(dá)800萬(wàn)平米。我市在有效降低地?zé)嵛菜疁囟?，中高溫地?zé)釤岜眉夹g(shù)，地表淺層的地?zé)崮芾茫裙┡种评涞牡卦礋岜霉?jié)能技術(shù)方面有較好的研究基礎(chǔ)和工程開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。
代表性工程有：天津市梅江居住區(qū)一綜合辦公樓，建筑面積2991m2，建筑熱負(fù)荷147KW，建筑冷負(fù)荷320KW。經(jīng)過(guò)了冬季1個(gè)月、夏季近3個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行，該地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，總體效果上達(dá)到了預(yù)期的實(shí)際目標(biāo)，冬季采暖房間的室內(nèi)溫度穩(wěn)定在18℃以上，夏季空調(diào)房間的室內(nèi)溫度基本穩(wěn)定在25℃左右，均達(dá)到設(shè)計(jì)溫度的要求。[5]
4.3 天津港地區(qū)運(yùn)用土壤源熱泵的優(yōu)缺點(diǎn)
在天津港地區(qū)使用土壤源熱泵時(shí)除了具有實(shí)用土壤源熱泵共同的優(yōu)點(diǎn)外，還具有許多地區(qū)不具備的優(yōu)點(diǎn)：天津港地處溫帶地區(qū)，冬季供熱負(fù)荷和夏季制冷負(fù)荷相差不大，容易平衡，不會(huì)導(dǎo)致地下積聚過(guò)多的熱量和冷量。
缺點(diǎn)以及應(yīng)該注意的問(wèn)題：1、天津港地區(qū)地層條件復(fù)雜，約80%的面積被咸水覆蓋，且咸水埋深較淺。建設(shè)地埋管式土壤源熱泵項(xiàng)目極易造成咸淡水串層，導(dǎo)致地下水污染，對(duì)鑿井工藝要求很高。況且，國(guó)內(nèi)的設(shè)備材質(zhì)、生產(chǎn)工藝水平與國(guó)外尚有一定差距，一旦控制溫度的循環(huán)液泄露，也將對(duì)地下水造成嚴(yán)重污染。在設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)有其注意這方面的問(wèn)題。
2、在北方寒冷地區(qū)，冬季進(jìn)入地下埋管換熱器的液體溫度一般均在0℃以下，換熱器周圍含濕量的土壤可能凍結(jié)。根據(jù)定性分析，水份凍結(jié)時(shí)，有大量的潛熱被釋放出來(lái)，因此在吸收同等數(shù)量的熱量情況下，土壤降低的溫度幅度小，水份越多，釋放的潛熱越多，溫度降低幅度越小，在鄰近換熱器埋管的土壤溫度越高。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到以上因素。
5 結(jié)論
盡管土壤源熱泵還存在著初投資大、施工困難、埋地?fù)Q熱器受土壤物性影響較大、連續(xù)運(yùn)行時(shí)熱泵的冷凝溫度或蒸發(fā)溫度受土壤溫度的影響而發(fā)生波動(dòng)及土壤導(dǎo)熱系數(shù)小而導(dǎo)致埋地?fù)Q熱器的面積較大等不足之處，但一些國(guó)際著名組織及從事熱泵的研究者都普遍認(rèn)為：由于土壤資源廣泛，在目前和將來(lái)，土壤源熱泵是最有前途的節(jié)能裝置和空調(diào)系統(tǒng)，是國(guó)際空調(diào)和制冷行業(yè)的前沿課題之一，也是地能利用的重要形式，1998年，美國(guó)暖通空調(diào)制冷工程師學(xué)會(huì)的ASHRAE技術(shù)獎(jiǎng)就授予了土壤源熱泵的應(yīng)用項(xiàng)目。
目前，世界各國(guó)都比以前更加關(guān)注能源、環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題，而傳統(tǒng)的以燃煤為主的能源結(jié)構(gòu)也越來(lái)越滿足不了當(dāng)前形勢(shì)發(fā)展的需要。因此，要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，就必須盡可能地利用清潔、可再生能源，而土壤源熱泵因其節(jié)能性、環(huán)保性及運(yùn)行的穩(wěn)定性而成為一個(gè)很好的選擇。同時(shí)，經(jīng)過(guò)多年的研究與發(fā)展，土壤源熱泵在技術(shù)上也趨向成熟，而且通過(guò)大量的實(shí)踐證明：土壤源熱泵的確具有節(jié)能、環(huán)保、資源可再生、舒適安全、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。目前，在地下土壤中廣泛存在著可為我們所利用的大量能源資源，且在數(shù)量上近乎無(wú)限，不受地域資源的限制，如能通過(guò)設(shè)計(jì)合理的土壤源熱泵加以利用，則必將為緩解世界各國(guó)所面臨的全球性問(wèn)題做出很大貢獻(xiàn)，土壤源熱泵因其節(jié)能性、環(huán)保性將成為2 1世紀(jì)最有發(fā)展前途的供暖空調(diào)系統(tǒng)裝置之一。
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