巖石丘陵地區(qū)常見地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用局限及解決辦法
在我們國家及世界各地，都有許多位于巖石丘陵地區(qū)的需要供暖空調(diào)的建筑物，比如遼東半島的大連，山東半島的煙臺、威海、青島等，這些地區(qū)一般為地下水缺乏的地區(qū)，從而難以采用地下水熱泵系統(tǒng)；并且因巖石層離地面較近，鉆孔費用的高昂和鉆孔工期的漫長，又難以推廣應(yīng)用地下耦合式熱泵。因此，筆者在去歐洲四國考察的基礎(chǔ)上，又從深入調(diào)查研究了美國的應(yīng)用情況，從而得出巖石丘陵地區(qū)適合推廣應(yīng)用高效換熱地源熱泵系統(tǒng)的結(jié)論，而國內(nèi)有關(guān)此方面的資料幾乎為零，所以在此結(jié)合工程實際來介紹這一技術(shù)。
這種地源熱泵應(yīng)用技術(shù)自上世紀70年代就開始從美國東北部開始使用，位于阿爾卑斯山區(qū)的瑞士也從70年代開始大量采用這種方式。它以較低的初投資和較高的運行效率而大大優(yōu)于閉式耦合式地源熱泵系統(tǒng)。
高效換熱地源熱泵系統(tǒng)，也就是單管型垂直埋管地源熱泵，在國外常稱為"熱井"。高效換熱地源熱泵系統(tǒng)只需要通過一口井的水循環(huán)就可以來滿足建筑物的冷熱負荷（當然，比較大的項目需要多口單井一起來滿足負荷要求）。該技術(shù)比較適合于巖石層離地面比較近的地區(qū)。通過鉆入巖石的深孔，將水引入孔的最深處，水在巖石孔中循環(huán)，直接與周圍15-20℃的淺層地熱能進行高效率的熱交換（巖石類K=2-6W/（m.℃），砂K=0.58W/（m.℃），粘土K=0.93W/（m.℃），而地下耦合熱泵系統(tǒng)因為是間接換熱，有一層管壁隔絕(見圖5)下?lián)Q熱（HDPE，K=0.517 W/（m.℃）PB, K=0.383 W/（m.℃）；PVC，K=0.19 W/（m.℃）），經(jīng)國內(nèi)外實踐驗證為每米井深40-70W/m的換熱量（單U形管），而高效換熱地源熱泵系統(tǒng)的換熱量高達160-500 W/m的換熱量！比耦合熱泵系統(tǒng)的換熱量高出3-6倍之多！可見其系統(tǒng)的優(yōu)越性。
因為該系統(tǒng)只在國外特定地區(qū)比較普及（巖石丘陵地區(qū)），故并未引起學(xué)者的注意，而是由一些非暖通專業(yè)的安裝人士首先研究應(yīng)用的（如瑞士一發(fā)明人原來是在地下400米作業(yè)的礦工，寒冷的冬季而在地下感受到了20℃的溫暖，所以他從70年代就開始在瑞士研究完善推廣了該系統(tǒng)）。但近一兩年也有專家開始認識到其優(yōu)越性，并開展了系統(tǒng)性的研究。
這種方式下，在地下水位以上用鋼套管作為護套，直徑和孔徑一致；地下水位以下為自然孔洞，不加任何固井設(shè)施。熱泵機組出水直接在孔洞上部進入，其中一部分在地下水位以下進入周邊巖土換熱，其余部分在邊壁處與巖土換熱。換熱后的流體在孔洞底部通過埋至底部的回水管被抽取作為熱泵機組供水。典型孔徑為150mm，孔深450m。經(jīng)研究證實，高效換熱地源熱泵系統(tǒng)的性能與水流速度、井深、巖石傳熱特性和水力傳導(dǎo)性密切相關(guān)，而其它一些參數(shù)對井的性能影響較少。
為了保護可飲用的裂隙地下水，在成井過程中，應(yīng)采用措施封閉相關(guān)裂隙帶，確保不對當?shù)氐牡叵滤斐捎绊?，另外也可以封閉含有鹵水或海水的裂隙帶，防止高腐蝕性的地下水影響系統(tǒng)運行壽命。
耦合式系統(tǒng)間接換熱示意圖
系統(tǒng)優(yōu)點
?、俑咝Ч?jié)能，綠色環(huán)保，屬于目前國際上倡導(dǎo)采用的可再生能源之一----地熱能；
②減少鉆孔量，降低造價。通過巖石直接換取地下熱量，效率大大提高，可以節(jié)省14-19%的鉆孔量；
③工作狀態(tài)優(yōu)良，使系統(tǒng)可以長期安全可靠高效運行（夏季冷凝溫度比耦合式低10-15度，冬季蒸發(fā)溫度比耦合式高8-10度）；
?、苁s傳統(tǒng)中央空調(diào)的煙囪、冷卻塔、風機等，沒有了煙霧、飄塵、噪聲、軍團病等污染；
?、輰崿F(xiàn)了全自動運行，可無人值守；
?、尴到y(tǒng)自動根據(jù)負荷調(diào)整運行，節(jié)省運行費用；
?、呦募究色@得免費的生活熱水，春秋冬季以較低的費用制得生活熱水；
?、嗫蓪崿F(xiàn)遠程監(jiān)視、遠程故障報警、診斷功能，節(jié)省用戶的人力物力。
工程實例介紹：紐約某基金大廈地源熱泵系統(tǒng)簡介
該基金大廈將建于紐約曼哈頓區(qū)中央公園以東的第64大街上，計劃進駐一些非贏利性基金會。該大廈總建筑面積1858m2，地上5層，地下2層，將建成節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟高效的示范性工程。該供熱空調(diào)系統(tǒng)的負荷，包括廚房的冷藏和冷凍的負荷，都是由高效換熱地源熱泵系統(tǒng)來滿足的。兩口472.44m深的熱井用來滿足該系統(tǒng)的供熱、空調(diào)、冷藏、冷凍要求。
系統(tǒng)介紹
兩口深472m，直徑為150mm的井鉆在建筑物下面的巖床上。每口井都是在5-6天內(nèi)完成。井中抽出的14.4℃的水將作為熱泵機組供暖空調(diào)的冷熱源。熱井是通過將井底的水抽至熱泵機組，由機組吸熱或排熱后再排送回同一口井的上部。水是在井中垂直流動并換熱的，因此叫"熱井"，只要確保水與井壁間流動的雷諾數(shù)來保證較高的傳熱系數(shù)，就可以得到很高的換熱效率。每口井接近獲得30冷噸（105kW），兩口井將獲得60冷噸（211kW）的冷（熱）量來滿足建筑物的負荷。
系統(tǒng)制熱/供冷功能的實現(xiàn)
地源熱泵機組分別被安裝的大廈的不同功能區(qū)。每臺熱泵機組都可以或者向地下水系統(tǒng)吸熱（用來制熱），或者向地下水系統(tǒng)排熱（用來制冷）。因為在冬季是利用的將夏季的熱量儲存在地下的熱量，所以其經(jīng)濟性特別明顯。夏季空調(diào)排放的熱量排放到相對較涼的巖層中，也使空調(diào)效率大大提高。將夏季的空調(diào)排熱回注并儲存在巖層中，并不需要額外的冷凝設(shè)備，避免了常規(guī)空調(diào)器的室外機組噪音和安裝于屋頂，影響建筑外觀。該系統(tǒng)的熱泵機組運行噪音極低，并且沒有設(shè)計額外的熱源設(shè)備。
紐約某基金大廈高效換熱熱泵系統(tǒng)的流程圖
由于地源熱泵系統(tǒng)不消耗化石燃料，也就沒有燃燒后的廢氣排出。據(jù)測算，如果該大廈供熱系統(tǒng)采用石化燃料，必將每年排出大量的CO2等廢氣，如果用燃油方式，每年將排出48000m3的CO2，如果用燃燒天然氣的方式，每年將排出28000m3的CO2。
結(jié)論
隨著人們物質(zhì)生活水平和環(huán)保意識的提高，高效節(jié)能綠色環(huán)保的供暖空調(diào)形式---地源熱泵成為了熱門產(chǎn)品，但每一項新技術(shù)都有其合理的應(yīng)用范圍，作為暖通空調(diào)技術(shù)人員，應(yīng)該深入研究各種實際情況，切實把新技術(shù)消化吸收，應(yīng)用到實際工程中去。
高效換熱地源熱泵系統(tǒng)是適合在巖石層離地面較近的地區(qū)的別墅群、辦公樓等有供暖空調(diào)需求的建筑物的最佳選擇之一。
（責編：zyl）
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