摘要：地源熱泵是近幾年業(yè)內(nèi)人士十分關(guān)注的一項(xiàng)被稱為節(jié)能環(huán)保、可再生能源利用技術(shù)，本文主要對地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用于夏熱冬冷的浙江地區(qū)的適用性、成功案例以及應(yīng)注意的一些技術(shù)問題進(jìn)行分析和探討。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；節(jié)能；適用性；熱平衡

1. 引言

    地源熱泵由于在系統(tǒng)設(shè)備中不需要燃燒原料，所以沒有CO₂、SO_X、粉塵等污染物的排放，屬綠色環(huán)保型空調(diào)系統(tǒng)。尤其是在當(dāng)今環(huán)境污染與能源危機(jī)成為人類面對并必須給予解決的社會背景下，以環(huán)保和節(jié)能為主要目標(biāo)的綠色建筑及相應(yīng)的供暖空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生，而地源熱泵技術(shù)正是滿足這些要求的有代表性的低能耗新型空調(diào)系統(tǒng)。

2. 地源熱泵技術(shù)簡介

    地源熱泵系統(tǒng)是以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩?，由水源熱泵機(jī)組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)。根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。其為典型的可再生能源利用技術(shù)，與常規(guī)的水冷式冷水機(jī)組加鍋爐供冷供熱方式相比，地源熱泵系統(tǒng)夏季可減少向大氣的排熱量，減緩城市的“熱島”效應(yīng)；冬季除使用少量電能以外，不使用一次化石能源，可減少污染物的排放和一次能源的長途運(yùn)輸成本。工程運(yùn)行實(shí)例表明，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可減少一次能源消耗40%～50%。

3. 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r簡介

    國外對地源熱泵的研究較早,最早可以追溯到 1912年瑞士的一個(gè)專利。而該技術(shù)的提出始于英美兩國。美國在1946年進(jìn)行的12個(gè)地下盤管研究項(xiàng)目，這些系統(tǒng)測試了地下埋管的參數(shù)。1954年美國人發(fā)明了世界上第一臺地源熱泵。近十年來，地源熱泵在歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國家取得了快速發(fā)展，已成為一項(xiàng)成熟的應(yīng)用技術(shù)。到2000 年底，美國有超過40 萬臺地源熱泵系統(tǒng)在家庭、學(xué)校和商業(yè)建筑中使用。

    我國具有較好的熱泵科研成果與應(yīng)用基礎(chǔ)，早在 20世紀(jì)50年代天津大學(xué)開展了熱泵的研究，1965年研制成功國內(nèi)第一臺水冷式熱泵機(jī)組。我國政府十分重視熱泵技術(shù)和淺層地?zé)崮苜Y源的開發(fā)利用工作。到2004年底，北京已有200多個(gè)單位總計(jì)420×10⁴m²的建筑面積利用地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供暖或供冷。

4. 長江流域的氣候特性

    中國長江流域及其周邊地區(qū)有幾個(gè)省市，是中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)達(dá)的地區(qū)，面積為18×10⁴km²，人口為5.5億，國民生產(chǎn)總值約占全國的48%，是一個(gè)人口最密集，經(jīng)濟(jì)、文化比較發(fā)達(dá)的地區(qū)。按照我國建筑氣候劃分，該地區(qū)屬于“夏熱冬冷”地區(qū)。即夏季氣候悶熱，最熱月平均溫度為25℃～30℃且以28℃～30℃居多，多數(shù)地方高于35℃的酷熱天氣長達(dá)半個(gè)月至一個(gè)月，比世界上同緯度其他地區(qū)高出2℃左右，是地球上這個(gè)緯度范圍內(nèi)除沙漠干旱地區(qū)以外最炎熱的地區(qū)，而且相對濕度經(jīng)常高達(dá)80%左右；冬季潮濕寒冷，最冷月平均溫度為2℃～7℃，大多數(shù)在2℃～5℃之間，是地球上同緯度冬季最寒冷的地區(qū)。長江中下游沿岸及以北一帶，日最低氣溫低于5℃的天數(shù)長達(dá)兩個(gè)月甚至三個(gè)月的時(shí)間，且相對濕度仍然很高，達(dá)73%～80%。故適合在該地區(qū)推廣地源熱泵技術(shù)，從而充分發(fā)揮地下蓄能的作用。

    浙江省是長江流域最具有代表性的省份之一，人口集中，能源消耗量大，污染問題突出。而且本地區(qū)能源資源相對比較匱乏，能源供給形勢嚴(yán)峻。因此從節(jié)約能源，改善能源結(jié)構(gòu)和保護(hù)環(huán)境這些問題考慮，也應(yīng)該推廣熱泵這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)。

5. 地源熱泵在浙江地區(qū)的適用性分析

    ① 地埋管地源熱泵系統(tǒng)

    地埋管地源熱泵通過水作為冷熱載體，借助地埋管換熱器及管中的循環(huán)水與地層巖土的熱交換而到達(dá)制冷和供暖的效果。在夏季供冷時(shí)，進(jìn)出熱泵機(jī)組冷凝器的冷卻水把冷凝熱帶入地埋管換熱器，使之與巖土進(jìn)行循環(huán)熱交換后排熱降溫，同時(shí)使熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器產(chǎn)出約7℃的冷水達(dá)到空調(diào)供冷效果。同時(shí)存儲熱量，以備冬用。在冬季供熱時(shí)，進(jìn)出熱泵機(jī)組蒸發(fā)器的熱源水，在放出熱量降低溫度后回到地埋管換熱器中，并使之與巖土進(jìn)行熱交換而獲取熱量，使熱泵機(jī)組的冷凝器產(chǎn)出45℃～60℃的熱水進(jìn)行供熱。同時(shí)儲存冷量，以備夏用。

    因其不存在井水回灌、地面沉降、水資源浪費(fèi)、地下水及地表水污染等一系列問題而備受關(guān)注。地處夏熱冬冷地區(qū)的浙江省，全年雨水豐富，水源充足。豐富的水資源使得本省的的部分巖土體的含水率高且地下水位高，并且部分地區(qū)的地下水的徑流速度快。地埋管換熱器的換熱效率明顯高于我國北方地區(qū)的干性巖土體的實(shí)際工程效果。與北方相比，南方地區(qū)的第四系覆蓋層厚度較薄，地層結(jié)構(gòu)以基巖為主，巖土體的綜合導(dǎo)熱系數(shù)和單孔換熱量要高于北方地區(qū)。

    ② 地下水地源熱泵系統(tǒng)

    地下水地源熱泵系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。通過實(shí)際工程測試，浙江地區(qū)的地下水水溫夏季約20℃，冬季約15℃，為優(yōu)質(zhì)的天然冷熱源。很多地區(qū)的第四系松散巖類孔隙潛水以及承壓水的富水量豐富。根據(jù)以義烏市水文地質(zhì)圖提供的資料，義烏市部分地區(qū)的單井出水量可達(dá)到1000t/天。尤其是對于地下水與地表水水力聯(lián)系密切的地區(qū)，地表水自然滲透補(bǔ)給地下水。地下水地源熱泵系統(tǒng)可以直接抽取地下水，排放到地表水體中，不需回灌。大大降低了系統(tǒng)的初投資，降低了地下水地源熱泵系統(tǒng)的復(fù)雜度。

    ③ 地表水地源熱泵系統(tǒng)

    在靠近江、河、湖、海等大量自然水體的地方，利用這些自然水體作為熱泵的低溫?zé)嵩词潜容^經(jīng)濟(jì)的一種空調(diào)熱泵形式。近兩年發(fā)展較快的利用城市污水和工業(yè)廢水的污水源熱泵系統(tǒng)也屬于地表水地源熱泵系統(tǒng)的形式。與前兩種地源熱泵系統(tǒng)形式相比較，地表水地源熱泵系統(tǒng)的初投資最低。地表水地源熱泵系統(tǒng)有開式和閉式兩種系統(tǒng)。

    浙江杭州的千島湖、青山湖、錢塘江、新安江、東陽江等地表水體中蘊(yùn)含著大量的低溫地?zé)崮?。千島湖的旅游資源帶動(dòng)了淳安縣的發(fā)展，鱗次櫛比的度假別墅群以及五星級酒店等如雨后春筍般涌現(xiàn)，為地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用提供了契機(jī)。而千島湖湖水是獨(dú)一無二的天然冷熱源。千島湖的水質(zhì)為一級水質(zhì)，為農(nóng)夫山泉的取水源。取水經(jīng)過簡單處理即可直接進(jìn)入熱泵機(jī)組進(jìn)行換熱，不需軟水處理等復(fù)雜步驟，節(jié)省了初投資，簡化了系統(tǒng)。通過對千島湖進(jìn)行測試，夏季室外溫度為35℃時(shí)，水面以下20m的水溫約為12.6℃；水面以下15m的水溫約為16.1℃。遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室外溫度。冬季室外溫度為10.3℃時(shí)，水面以下4m的水溫約為10.0℃；水面以下15m的水溫約為9.9℃；水面以下20m的水溫約為9.9℃。5m以下水溫基本恒定，不受室外溫度的影響，不隨室外溫度的波動(dòng)而變化。

6. 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在浙江省的典型工程實(shí)例

    在浙江省的杭州、寧波、紹興、嘉興、義烏等地區(qū)有地埋管地源熱泵和地下水地源熱泵工程技術(shù)的應(yīng)用，約有25×10⁴萬m²建筑面積采用熱泵系統(tǒng)，主要用于別墅、辦公樓、酒店、商場等中央空調(diào)系統(tǒng)調(diào)溫。

    （一）杭州大世界五金城

    總建筑面積26×10⁴m²，總投資5億元。占地111600m²，以五金文化為核心，聚集國際五金產(chǎn)品展示和貿(mào)易。采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)，雙U垂直埋管式系統(tǒng)，鉆孔深度45m。

    （二）杭州朗詩國際街區(qū)

    杭州朗詩國際街區(qū)位于杭州下沙經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)6號大街和27號街交叉口，總建筑面積21×104m²，采用目前世界先進(jìn)技術(shù)的高舒適度住宅，其冷熱源全部采用地源熱泵系統(tǒng)，同時(shí)提供空調(diào)系統(tǒng)冷熱水和衛(wèi)生熱水。本工程共布置地埋孔2200口，其中樁基埋管約200口，由于樁基埋管風(fēng)險(xiǎn)較大，因此，另外2000口全采用鉆孔埋管，孔深80m，采用W型（見圖1）。

    （三）杭州中北花園二期

    杭州中北花園二期位于杭州市下城區(qū)上塘路與文暉路交叉口，總占地面積為22785m²，總建筑面積約為99625m²，采用地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了進(jìn)行室內(nèi)制冷制熱外，同時(shí)提供生活熱水及為游泳池加熱。本工程土壤換熱器共布置地埋管704口，埋管形式分為樁基埋管和鉆孔埋管兩個(gè)部分，其中樁基埋管為610口，有效長度35m，地埋管為94 口，有效長度35m，采用PE25管材，W型埋管。

    （四）千島湖天嶼山頂度假別墅

    2008年中國十大超級豪宅之一：千島湖天嶼山頂別墅，擇址于千島湖制高點(diǎn)，三面環(huán)水。 該項(xiàng)目共有70多套別墅及一套五星級國際五星級SPA酒店。建筑面積達(dá)25×10³m²。該項(xiàng)目采用地埋管式地源熱泵系統(tǒng)，埋管深度100m，采用 HDPE De32管材，雙U型埋管。本項(xiàng)目室外地埋管設(shè)計(jì)湖北風(fēng)神凈化空調(diào)工程有限公司與浙江省工程物探勘察院共同完成，施工過程中采用了創(chuàng)新的無塵施工技術(shù)，受到了業(yè)主的一致好評。

    （五）千島湖碧水華庭度假村

    本項(xiàng)目位于千島湖中心湖區(qū)進(jìn)賢灣中心位置，共有26套別墅及一套管理樓。建筑面積達(dá)25×10³m²。該項(xiàng)目利用天然資源千島湖湖水，采用地表水地源熱泵系統(tǒng)，在滿足室內(nèi)空調(diào)及采暖要求的前提下，提供生活衛(wèi)生熱水。機(jī)組采用節(jié)能高效的渦旋冷熱水型水源熱泵機(jī)組。

7. 結(jié)語

    地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國是一項(xiàng)新的技術(shù)，是一項(xiàng)跨專業(yè)、跨學(xué)科的綜合能源利用技術(shù)，在北方城市，如北京、沈陽以及河北等省份已經(jīng)得到了成功應(yīng)用。而在夏熱冬冷的浙江地區(qū)發(fā)展還處于起步階段。通過以上分析，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在浙江地區(qū)是非常適用的。

    夏熱冬冷地區(qū)建筑物的負(fù)荷特征是夏季冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于冬季熱負(fù)荷，在設(shè)計(jì)過程中需要注意：不可為了滿足較大的冷負(fù)荷的需要，盲目加大地下埋管換熱器的配置，因?yàn)檫@不僅會增加初投資，還存在影響系統(tǒng)正常運(yùn)行和使運(yùn)行能耗增加的風(fēng)險(xiǎn)。因此，筆者建議在工程設(shè)計(jì)中須注意如下幾點(diǎn)：

    ① 準(zhǔn)確勘測了解地下巖土體的巖性組成、溫度及熱物性、地下水位及其豐- 枯水期的變化幅度，以供準(zhǔn)確計(jì)算埋管處巖土體向周邊巖土的散熱量和正確設(shè)計(jì)地埋管換熱器的埋管長度。同時(shí)應(yīng)針對不同的地層采用不同配比的回填料，以保證地埋孔的換熱效果。

    ② 設(shè)置地?zé)釗Q熱器的主要費(fèi)用是鉆孔的費(fèi)用，正確設(shè)計(jì)地?zé)釗Q熱器埋管的長度對于保證系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)性十分重要，因此要進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。在有條件時(shí)，可以結(jié)合建筑樁基形式利用樁孔進(jìn)行埋管設(shè)置，可省去大量的鉆孔費(fèi)用，施工也極為方便快捷。

    ③ 為保證地下熱平衡，防止熱堆積現(xiàn)象的發(fā)生，可以采用冬季熱負(fù)荷設(shè)計(jì)地埋管換熱器，夏季采用冷卻塔輔助散熱的方式，以減少夏季排入地層的熱量, 還可以采用冷凝熱回收裝置免費(fèi)制取生活熱水，求得取、排熱量的平衡，以及減少初投資與運(yùn)行能耗。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 楊艷紅，倪國葳，馬卉，地源熱泵技術(shù)與建筑節(jié)能[J]. 山西建筑，2009(11): 175-176.

    [2] 徐偉等譯，地源熱泵工程技術(shù)指南[M]，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

    [3] 刁乃仁，方肇洪，地埋管地源熱泵技術(shù)[M]，北京高等教育出版社，2001.

    [4] 徐偉，中國地源熱泵發(fā)展研究報(bào)告（2008）[M].北京：中國建筑出版社，2008.

    [5] 地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范（2009版）GB50366-2005[S].中國建筑工業(yè)出版社，2009.

責(zé)編：楚天闊