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(guó)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(tái)、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(fèi)用的高昂和鉆孔工期的漫長(zhǎng)，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(guó)考察的基礎(chǔ)上，又從深入調(diào)查研究了美國(guó)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(guó)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(shí)際來(lái)介紹這一技術(shù)。
這種地源熱泵應(yīng)用技術(shù)自上世紀(jì)70年代就開始從美國(guó)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(yùn)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(guó)外常稱為"熱井"。高效換熱地源熱泵系統(tǒng)只需要通過(guò)一口井的水循環(huán)就可以來(lái)滿足建筑物的冷熱負(fù)荷（當(dāng)然，比較大的項(xiàng)目需要多口單井一起來(lái)滿足負(fù)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(guò)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?zé)崮苓M(jìn)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?yàn)槭情g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(guó)內(nèi)外實(shí)踐驗(yàn)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(dá)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?yàn)樵撓到y(tǒng)只在國(guó)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(lái)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(rèn)識(shí)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(hù)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(jī)組出水直接在孔洞上部進(jìn)入，其中一部分在地下水位以下進(jìn)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(guò)埋至底部的回水管被抽取作為熱泵機(jī)組供水。典型孔徑為150mm，孔深450m。經(jīng)研究證實(shí)，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(duì)井的性能影響較少。
為了保護(hù)可飲用的裂隙地下水，在成井過(guò)程中，應(yīng)采用措施封閉相關(guān)裂隙帶，確保不對(duì)當(dāng)?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(yùn)行壽命。
耦合式系統(tǒng)間接換熱示意圖
系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)
?、俑咝Ч?jié)能，綠色環(huán)保，屬于目前國(guó)際上倡導(dǎo)采用的可再生能源之一----地?zé)崮埽?/span>
②減少鉆孔量，降低造價(jià)。通過(guò)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；
?、酃ぷ鳡顟B(tài)優(yōu)良，使系統(tǒng)可以長(zhǎng)期安全可靠高效運(yùn)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(fēng)機(jī)等，沒(méi)有了煙霧、飄塵、噪聲、軍團(tuán)病等污染；
⑤實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)運(yùn)行，可無(wú)人值守；
?、尴到y(tǒng)自動(dòng)根據(jù)負(fù)荷調(diào)整運(yùn)行，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用；
?、呦募究色@得免費(fèi)的生活熱水，春秋冬季以較低的費(fèi)用制得生活熱水；
?、嗫蓪?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、遠(yuǎn)程故障報(bào)警、診斷功能，節(jié)省用戶的人力物力。
工程實(shí)例介紹：紐約某基金大廈地源熱泵系統(tǒng)簡(jiǎn)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(jì)劃進(jìn)駐一些非贏利性基金會(huì)。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(jì)高效的示范性工程。該供熱空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，包括廚房的冷藏和冷凍的負(fù)荷，都是由高效換熱地源熱泵系統(tǒng)來(lái)滿足的。兩口472.44m深的熱井用來(lái)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(jī)組供暖空調(diào)的冷熱源。熱井是通過(guò)將井底的水抽至熱泵機(jī)組，由機(jī)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(dòng)并換熱的，因此叫"熱井"，只要確保水與井壁間流動(dòng)的雷諾數(shù)來(lái)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(lái)滿足建筑物的負(fù)荷。
系統(tǒng)制熱/供冷功能的實(shí)現(xiàn)
地源熱泵機(jī)組分別被安裝的大廈的不同功能區(qū)。每臺(tái)熱泵機(jī)組都可以或者向地下水系統(tǒng)吸熱（用來(lái)制熱），或者向地下水系統(tǒng)排熱（用來(lái)制冷）。因?yàn)樵诙臼抢玫膶⑾募镜臒崃績(jī)?chǔ)存在地下的熱量，所以其經(jīng)濟(jì)性特別明顯。夏季空調(diào)排放的熱量排放到相對(duì)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(chǔ)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(jī)組噪音和安裝于屋頂，影響建筑外觀。該系統(tǒng)的熱泵機(jī)組運(yùn)行噪音極低，并且沒(méi)有設(shè)計(jì)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(méi)有燃燒后的廢氣排出。據(jù)測(cè)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(shí)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(xiàng)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(shí)際情況，切實(shí)把新技術(shù)消化吸收，應(yīng)用到實(shí)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。
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