土壤源熱泵特性分析及其在天津地區(qū)的應用
作者：李忠實 王一飛
摘要：針對我國能量利用現(xiàn)狀和建設綠色建筑的需求，本文著重介紹了土壤源熱泵優(yōu)缺點及其適用范圍，并針對天津地區(qū)的現(xiàn)狀和開發(fā)背景，提出了在天津地區(qū)發(fā)展土壤源熱泵項目時特有的優(yōu)勢和應該注意的問題。
關鍵詞：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
當今世界，環(huán)境污染和能源危機成為威脅人類生存的頭等大事。隨著人類生活水平的提高，中央空調的能耗占整個世界能源消耗的比例不斷增加，而中央空調的能耗中絕大部分是消耗在冷熱源上。因此，國內外廣大專業(yè)人士一直努力尋求高效節(jié)能且環(huán)保的空調冷熱源，建筑綠色建筑。
對于綠色建筑應體現(xiàn)在以下幾個方面[1]：
1、建筑與自然的共生：即要求保持環(huán)境、利用環(huán)境、防御自然災害。保護生態(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；充分利用太陽能、地熱能進行供暖、供熱、采光以及通風，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、應用減輕環(huán)境負荷的建筑節(jié)能技術：即降低能耗、延長使用壽命、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建筑生涯。
4、創(chuàng)造健康、舒適的室內環(huán)境。包括健康持久的生活環(huán)境，優(yōu)良的空氣質量等。
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），通過輸入少量的高位能（如電能），將低溫位能向高溫位能轉移，以實現(xiàn)既可供熱又可制冷的高效節(jié)能的綠色空調系統(tǒng)。
在建筑綠色建筑的過程中，土壤源熱泵是一種可以廣泛應用的系統(tǒng)形式。
2 土壤源熱泵的優(yōu)缺點及分類
2.1 土壤源熱泵的優(yōu)點
土壤源熱泵利用土壤一年四季溫度穩(wěn)定的特點，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供給室內采暖，夏季把土壤能作為空調的冷源，即把室內的熱能取出來釋放到底于環(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，從而達到節(jié)能的目的，而且在系統(tǒng)運行過程中，不產(chǎn)生任何有害物質，實現(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-室內熱交換環(huán)路
該系統(tǒng)有如下特點[3]：
1、資源可再生利用，土壤源熱泵技術利用地球表面淺層地熱資源（地能）作為冷熱源進行能量轉換，而地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽能，相當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、無處不在。這是儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，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較低的冷凝溫度和較高的蒸發(fā)溫度。所以從熱力學原理上講，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)不會把熱量、水蒸氣及細菌等排人大氣環(huán)境，符合當前可持續(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，這多出來的能量就是來自土壤的能源。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。據(jù)美國環(huán)保署EPA估計，設計安裝良好的土壤源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶30％～40％的供熱制冷空調的運行費用。高效的土壤源熱泵機組，平均產(chǎn)生1冷噸的冷量僅需0.88kW 的電力消耗，其耗電量僅為普通冷水機組加鍋爐系統(tǒng)的3O％～60％；
2、投資少，運行費用低，與傳統(tǒng)空調系統(tǒng)相比，其一次性投資可節(jié)省15%~25%，每年運行費用可節(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，還可提供生活熱水，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐、空調制冷裝置或系統(tǒng)，一機多用；不僅適用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，更適合于別墅住宅的供熱和空調。此外，機組使用壽命長，均在20年左右；機組緊湊、節(jié)省空間：維護費用低；自動化控制程度高，可無人值守。土壤源熱泵中的熱源不是指地熱田中的熱氣或熱(溫)水，而是指一般的常溫土壤，所以對地下熱源沒有特殊要求，可在中國絕大部分地區(qū)應用。
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，其運行費用為普通中央空50％~60％。
3、占地面積少，機房占地面積小，節(jié)省空間，可設在地下；
4、綠色環(huán)保，土壤源熱泵系統(tǒng)利用地球表面淺層地熱資源，沒有燃燒，沒有排煙及廢棄物，情節(jié)環(huán)保，無任何污染，土壤源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當于減少40％以上，與電供暖相比，相當于減少70％以上，如果結合其它節(jié)能措施節(jié)能會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調裝置減少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事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機率大為減少。該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內，安裝在綠地、停車場下，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。土壤源熱泵系統(tǒng)沒有冷卻塔和其它室外設備，沒有中央空調集中占地問題，節(jié)省了空間和地皮，為開發(fā)商帶來額外利潤，產(chǎn)生附加經(jīng)濟效益，并改善了建筑物的外部形象；
5、自動化程度高，機組內部及機組與系統(tǒng)均可實現(xiàn)自動化控制，可根據(jù)室外溫度變化及室內溫度要求控制機組啟停，達到最佳節(jié)能效果，同時節(jié)省了人力物力；
6、可自主調節(jié)機組，能夠任意調機，投資者可按需要調整供應時間及溫度，完全自主；
7、一機多用，即可供暖，又可制冷，在制冷時產(chǎn)生的余熱還可提供生活生產(chǎn)熱水或為游泳池加熱，最大限度的利用了能源。
2.2 土壤源熱泵的缺點
1、埋地換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傳熱有較大影響[4]；
2、連續(xù)運行時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；
3、土壤導熱系數(shù)較小，換熱量較小。已有的經(jīng)驗表明，其持續(xù)吸熱速率一般為25W/m2，所以當供熱量一定時，換熱盤管占地面積較大，埋管的敷設無論是水平開挖布置還是鉆孔垂直安裝，都會增加土建費用。
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例中常采用的，多其用于采暖。而垂直埋管一般認為其性能優(yōu)于水平埋管系統(tǒng)，但施工難度相對高一些。
1、水平埋管熱泵系統(tǒng)
關于水平埋管熱泵的研究開始于1930年到1940年?，F(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，一般的設計管埋深度為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 同時用于采暖．管埋深度超過1.5m蓄熱就慢，而小于0.8m,盤管就會受地面冷卻和結凍的影響，另外管間距小于1.5m，盤管間可能會產(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深敷設一層管道再回填至1.2m深鋪設另一層雙層鋪設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。這種設計是由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)場鉆孔條件及經(jīng)濟條件決定，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，在垂直埋管系統(tǒng)中。管道深入地下，土壤熱特性不會受地表溫度影響。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，或使熱泵反轉在夏季為土壤加熱，以備冬季之用。集熱設備一般采用太陽能和風能集熱，此類設備具有高蓄熱能力、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。首先它不需像水平埋管系統(tǒng)那樣需要大的場地面積。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，從而降低了土壤導熱率。使得熱交換的效率也降低。而垂直埋管中，這種水分轉移只有很小的一部分。而且垂直埋管熱泵的穩(wěn)定工況和部分負荷的運行效率比滿負荷情況好，而一般的空調系統(tǒng)設計工況是在滿負荷情況下，但實際卻很少在此情況下運行，效率也就很難保證是在高效區(qū)。
2.3.2按中有無中間流體分類
按有無中間流體分類，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與環(huán)境進行熱交換。
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)。可見，PVC管的導熱系數(shù)相對低，所以不適合用于此類系統(tǒng)下的導熱材料。試驗表明，若使土壤導熱性提高一倍，在連續(xù)運行情況下，聚乙烯管道的熱交換升高25％，而PVC管只升高l2％。所以應盡量采用高密度聚乙烯材料，盡管金屬具有良好的導熱性，它們的性能比高密度聚乙烯提高不多，但造價昂貴。另外由于高密度聚乙烯具有高強度和抗腐蝕能力，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)壽命可長達50年之久。由于土壤熱交換與管徑并沒有很明顯的關系，所以管徑的選擇是出于管道壓力損失而產(chǎn)生的運行費用與管道造價的折衷考慮，一般取20mm到50mm。
3 土壤源熱泵的適用范圍
地能供暖技術對地能資源的收集，主要集中在100米以內的淺地層。這一范圍地質結構是多樣的，既有黏土也有砂土，砂土中既有粗砂也有細砂，還有卵石加砂，有的甚至是基巖。這些不同的構造，其滲水率和熱導率都不同，滲水率高的只適用于水源熱泵技術，熱導率高的就適用于土壤源熱泵技術。
4 天津地區(qū)的應用
4.1 天津地區(qū)運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，其供熱管網(wǎng)也布置在本單位的范圍內。煤煙污染嚴重，能源浪費大，安全隱患多的現(xiàn)象比較突出。近年來，天津陸續(xù)進行了鍋爐房聯(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)運用土壤源熱泵的現(xiàn)狀
天津市地熱資源勘探開發(fā)起步于70年代，地熱田的規(guī)模大、儲量高，折合電能大于50兆瓦。天津市地熱直接利用走在全國的前列，至2001年，用于供暖的地熱井達200余口，地熱供暖面積已達800萬平米。我市在有效降低地熱尾水溫度，中高溫地熱熱泵技術，地表淺層的地熱能利用，既供暖又制冷的地源熱泵節(jié)能技術方面有較好的研究基礎和工程開發(fā)經(jīng)驗。
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，建筑熱負荷147KW，建筑冷負荷320KW。經(jīng)過了冬季1個月、夏季近3個月的實際運行，該地源熱泵系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，總體效果上達到了預期的實際目標，冬季采暖房間的室內溫度穩(wěn)定在18℃以上，夏季空調房間的室內溫度基本穩(wěn)定在25℃左右，均達到設計溫度的要求。[5]
4.3 天津港地區(qū)運用土壤源熱泵的優(yōu)缺點
在天津港地區(qū)使用土壤源熱泵時除了具有實用土壤源熱泵共同的優(yōu)點外，還具有許多地區(qū)不具備的優(yōu)點：天津港地處溫帶地區(qū)，冬季供熱負荷和夏季制冷負荷相差不大，容易平衡，不會導致地下積聚過多的熱量和冷量。
缺點以及應該注意的問題：1、天津港地區(qū)地層條件復雜，約80%的面積被咸水覆蓋，且咸水埋深較淺。建設地埋管式土壤源熱泵項目極易造成咸淡水串層，導致地下水污染，對鑿井工藝要求很高。況且，國內的設備材質、生產(chǎn)工藝水平與國外尚有一定差距，一旦控制溫度的循環(huán)液泄露，也將對地下水造成嚴重污染。在設計和施工時應有其注意這方面的問題。
2、在北方寒冷地區(qū)，冬季進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。根據(jù)定性分析，水份凍結時，有大量的潛熱被釋放出來，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，在設計時要考慮到以上因素。
5 結論
盡管土壤源熱泵還存在著初投資大、施工困難、埋地換熱器受土壤物性影響較大、連續(xù)運行時熱泵的冷凝溫度或蒸發(fā)溫度受土壤溫度的影響而發(fā)生波動及土壤導熱系數(shù)小而導致埋地換熱器的面積較大等不足之處，但一些國際著名組織及從事熱泵的研究者都普遍認為：由于土壤資源廣泛，在目前和將來，土壤源熱泵是最有前途的節(jié)能裝置和空調系統(tǒng)，是國際空調和制冷行業(yè)的前沿課題之一，也是地能利用的重要形式，1998年，美國暖通空調制冷工程師學會的ASHRAE技術獎就授予了土壤源熱泵的應用項目。
目前，世界各國都比以前更加關注能源、環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展問題，而傳統(tǒng)的以燃煤為主的能源結構也越來越滿足不了當前形勢發(fā)展的需要。因此，要實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(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)保性及運行的穩(wěn)定性而成為一個很好的選擇。同時，經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，土壤源熱泵在技術上也趨向成熟，而且通過大量的實踐證明：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。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)量上近乎無限，不受地域資源的限制，如能通過設計合理的土壤源熱泵加以利用，則必將為緩解世界各國所面臨的全球性問題做出很大貢獻，土壤源熱泵因其節(jié)能性、環(huán)保性將成為2 1世紀最有發(fā)展前途的供暖空調系統(tǒng)裝置之一。
參考文獻
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