時(shí) 間：2016年12月29日晚8:00-9:00點(diǎn)
（中國(guó)地源熱泵產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟微講座群）
組 織 者：中國(guó)地源熱泵產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書處
演講嘉賓：中國(guó)地源熱泵產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長(zhǎng)、國(guó)際地源熱泵協(xié)會(huì)中國(guó)分會(huì)會(huì)長(zhǎng) 方肇洪教授
演講題目：《地埋管地源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵之一：地?zé)釗Q熱器全年冷熱負(fù)荷平衡問(wèn)題》
【研究背景】
地源熱泵的應(yīng)用實(shí)踐
傳熱/蓄熱理論vs大地?zé)崃骼碚?/span>
【影響因素】
冷熱負(fù)荷的大小和比例
鉆孔的數(shù)量和間距
埋管深度
地下水流動(dòng)的影響
【解決辦法：復(fù)合系統(tǒng)】
好處：冷熱負(fù)荷平衡，可靠性，經(jīng)濟(jì)性
冷負(fù)荷占優(yōu)的系統(tǒng)：供熱水，冷卻塔，地表水
熱負(fù)荷占優(yōu)的系統(tǒng)：燃?xì)忮仩t，電鍋爐（蓄熱），季節(jié)性蓄熱（太陽(yáng)能、余熱）
以下內(nèi)容是根據(jù)方肇洪教授2016年12月29日晚8:00點(diǎn)講話錄音整理而成：
各位地源熱泵界的同仁們，各位網(wǎng)友們大家晚上好，大家知道我是過(guò)了七十了，學(xué)這些新技術(shù)可能是有點(diǎn)落后，但是我們《地源熱泵》雜志社的年輕人，也是我們地源熱泵產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的年輕人，他們很有干勁，也愿意創(chuàng)新，創(chuàng)造的這些新的方式，我們當(dāng)然理所當(dāng)然地給予支持。
現(xiàn)在言歸正傳，可能想要講的不少。地源熱泵系統(tǒng)我在很多場(chǎng)合也都說(shuō)過(guò)了，地源熱泵有三個(gè)缺點(diǎn)，好處我先不說(shuō)了，其中一個(gè)最重要的缺點(diǎn)是，除了地源熱泵系統(tǒng)外別的都沒(méi)有的，多出一個(gè)特別的問(wèn)題叫做我們地下有一個(gè)叫冷熱負(fù)荷平衡的問(wèn)題，其它的供熱系統(tǒng)都沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題。
我們中國(guó)的地源熱泵進(jìn)入市場(chǎng)是在2005年。這個(gè)問(wèn)題在開(kāi)始的時(shí)候，大家認(rèn)識(shí)并不是一致。我們地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)入市場(chǎng)，大概有十年多一點(diǎn)的時(shí)間，現(xiàn)在大家認(rèn)識(shí)比較一致了。我可能現(xiàn)在講這個(gè)問(wèn)題比較好講一點(diǎn)，那么說(shuō)為什么要講這個(gè)事？我想第一個(gè)是，由于我們地源熱泵在應(yīng)用的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題，我們不能不講。
我們對(duì)這個(gè)問(wèn)題的理解，這個(gè)地源熱泵系統(tǒng)的熱量是哪來(lái)的，那個(gè)熱量是土和石頭里來(lái)的，但是呢，它要求一個(gè)平衡，我們冬天用的那個(gè)熱量，需要在全年的其他時(shí)間有熱量的補(bǔ)充的，這是一個(gè)傳熱的理論，蓄熱的理論。
大地?zé)崃骼碚搶?duì)不對(duì)呢，大地?zé)崃鳟?dāng)然是對(duì)的。這是學(xué)地質(zhì)的人，他們講這個(gè)理論比較清楚，我們隔著一行，多少不是特別清楚。但是根據(jù)我的理解，為什么有大地?zé)崃髂?，因?yàn)榈匦氖菬岬?，可?000°左右，我們地表那是0~20°這樣一個(gè)地表的溫度，所以當(dāng)然它有熱量傳出來(lái)，那么這個(gè)傳熱呢，如果是固體導(dǎo)熱，那么公式也非常簡(jiǎn)單，多少厚的一個(gè)地殼，或者叫地幔，有多厚，溫差有多少，然后巖石導(dǎo)熱系數(shù)有多少，我們可以算出大地?zé)崃鱽?lái)。大地?zé)崃髟诓煌胤绞遣灰粯拥?，比如說(shuō)那個(gè)地下熔巖在不同的地方離地面的深度是不一樣的，所以各地的大地?zé)崃饕矔?huì)不同。
大地?zé)崃魇怯械模且看蟮責(zé)崃鱽?lái)補(bǔ)，你是在上頭把那個(gè)熱量都抽走了，你要指望大地?zé)崃鱽?lái)補(bǔ)是補(bǔ)不上的，實(shí)際上在我們地源熱泵系統(tǒng)里頭那個(gè)熱流，它不是從下面往上跑，是四面八方是水平地流過(guò)來(lái)的。我們做了一個(gè)鉆孔埋管在那里，有溫差，熱流是水平方向往這個(gè)孔里頭來(lái)導(dǎo)熱，是這樣的一個(gè)情況。大地?zé)崃鲝牡紫律蟻?lái)，平均的值大約在70mw/m2，地源熱泵的熱流是水平的，但折算成單位地面面積中抽取的熱量，可能是250W/m2的量級(jí)，兩者差3個(gè)數(shù)量級(jí)。我想關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，恐怕已經(jīng)講了不少了，要再講的話后面就沒(méi)有時(shí)間了，甚至還有人當(dāng)時(shí)也在討論說(shuō)，地源熱泵的熱量是太陽(yáng)能，是太陽(yáng)曬到地下，我今天恐怕沒(méi)有時(shí)間來(lái)展開(kāi)講了，要是再講的話，后面的正題都沒(méi)時(shí)間。
剛才說(shuō)的，一點(diǎn)沒(méi)有要跟我們主流唱反調(diào)的事，說(shuō)地源熱泵是淺層地?zé)崮埽稍偕茉?，我非常贊成，我們要舉這個(gè)旗幟，我們要爭(zhēng)取政府的支持，政府給補(bǔ)貼當(dāng)然最好，多多益善，這是對(duì)發(fā)展我們地源熱泵產(chǎn)業(yè)有利，而且對(duì)老百姓也是有利的，把這個(gè)事早點(diǎn)做起來(lái)，這是有利的。
我想還是言歸正傳講一些下面的事。第一就是說(shuō)冷熱負(fù)荷不平衡的問(wèn)題，影響因素有哪些？第一個(gè)當(dāng)然非常明顯的是冷熱負(fù)荷大小和比例，這就是說(shuō)，比如山東的熱冷負(fù)荷怎么樣，到了黑龍江又是怎樣，到了上海又是怎樣。當(dāng)然在山東也不一樣，就說(shuō)在濟(jì)南，你是居住建筑和一個(gè)辦公樓也是不一樣的，和商業(yè)建筑也是不一樣的，那么這個(gè)冷熱負(fù)荷大小比例要怎么辦呢，照理說(shuō)是要算出來(lái)的。照理說(shuō)我們?cè)诮ㄖ照{(diào)設(shè)計(jì)里頭有一個(gè)動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算軟件。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)軟件就是可以把建筑物的逐時(shí)負(fù)荷都給算出來(lái)。當(dāng)然一個(gè)很大的樓，其實(shí)算起來(lái)是很費(fèi)勁的，一個(gè)一個(gè)房間要算，據(jù)我所知一般我們中國(guó)的建筑設(shè)計(jì)院里頭，其實(shí)都不是這樣算，算起來(lái)太麻煩，而且恐怕也算不準(zhǔn)，因?yàn)檫@個(gè)樓將來(lái)到底怎么用，其實(shí)他們也是沒(méi)有把握的事，將來(lái)的變量太多。所以大家一般都用一個(gè)叫做熱負(fù)荷指標(biāo)、冷負(fù)荷指標(biāo)，一平方米大概算多少瓦，冬天算個(gè)三十瓦， 大概就這樣，夏天我們說(shuō)憑經(jīng)驗(yàn)，一百瓦，八十瓦，加上一共樓的面積有多少，就算出來(lái)了，但是這樣算的，只是一個(gè)峰值負(fù)荷。
地源熱泵的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，其實(shí)峰值負(fù)荷當(dāng)然是很重要的，但是我們重要的是一個(gè)全年累積的負(fù)荷，這件事，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)非得要?jiǎng)討B(tài)負(fù)荷一個(gè)小時(shí)一個(gè)小時(shí)算，才能算出來(lái)。但是我剛才也說(shuō)了，其實(shí)說(shuō)實(shí)話，真要用軟件算，也是算不很準(zhǔn)的，這個(gè)地方怎么辦？我有時(shí)候給學(xué)生講課，對(duì)這個(gè)事兒有兩種來(lái)考慮問(wèn)題的思路，一種叫科學(xué)，一種叫技術(shù)。科學(xué)叫我們是要認(rèn)識(shí)世界，說(shuō)這個(gè)事到底有什么規(guī)律。還有一種叫技術(shù)，是說(shuō)怎樣改造世界。當(dāng)科學(xué)還沒(méi)有完全認(rèn)知規(guī)律的時(shí)候，還能不能改造世界呢？所以科學(xué)家算不準(zhǔn)是很難避免的，但還有一種辦法就是工程師的辦法。工程師第一是在實(shí)踐中試，在試錯(cuò)中學(xué)習(xí)；第二是在算不準(zhǔn)的時(shí)候會(huì)留有余地，所以我們有很多空調(diào)的設(shè)計(jì)，留的余地太大，這個(gè)地方放大百分之十，這個(gè)地方放大百分之二十，五個(gè)地方放大了以后，放了一倍還不止了啊。這種情況大家在很多實(shí)際空調(diào)工程里發(fā)現(xiàn)了很多，機(jī)房里頭放了四臺(tái)機(jī)器，開(kāi)兩臺(tái)的時(shí)候都很少。在設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)時(shí)也免不了要適當(dāng)留有余地。那么還有一種辦法其實(shí)我們可以用，還有其它的思路，比如我們的復(fù)合系統(tǒng)，一會(huì)我會(huì)講。所以說(shuō)第一個(gè)，應(yīng)該怎么算，其實(shí)從道理上來(lái)說(shuō)，就是你要?jiǎng)討B(tài)負(fù)荷，全年的負(fù)荷，一個(gè)小時(shí)一個(gè)小時(shí)算，你把它累積起來(lái)，冬天一共要吸收多少熱量，夏天要放出去多少熱量。
這個(gè)地方，我其實(shí)要告訴大家一個(gè)稍微好點(diǎn)的消息，剛才說(shuō)了算不準(zhǔn)怎么辦。因?yàn)槲覀冎饕谏綎|，我們做地源熱泵其實(shí)開(kāi)始的時(shí)候，首先要解決的是北方的供熱問(wèn)題，南方的空調(diào)問(wèn)題要不要用地源熱泵或者說(shuō)其他技術(shù)都很成熟，真正開(kāi)始要推地源熱泵其實(shí)是為了解決北方的供熱問(wèn)題。北方的供熱問(wèn)題，我們碰到的建筑，最怕是冬天熱不夠了，夏天熱多了一點(diǎn)不怕。所以我們?cè)诒狈阶龅卦礋岜庙?xiàng)目的話，我就是怕冬天不行，冬天出問(wèn)題。我要告訴大家一個(gè)稍微好一點(diǎn)的消息，根據(jù)我的一個(gè)基本的簡(jiǎn)單的估算，我們所謂要平衡，并不是說(shuō)我們夏天放出來(lái)的熱量，和冬天建筑物所需要的熱量要1:1，這叫平衡，不是的。我們說(shuō)的是地下，是地下?lián)Q熱器，要求冷熱負(fù)荷平衡，地下巖土，要求冷熱負(fù)荷平衡，這個(gè)時(shí)候，因?yàn)橄奶旖ㄖ锏臒崃浚€要加上壓縮機(jī)的功，加上水泵的功，都要送到地下去。冬天我們建筑需要的熱量，有一部分是從地下來(lái)的，還有一部分是壓縮機(jī)的功，水泵的功等，都會(huì)變成熱量。所以夏季建筑累計(jì)的冷負(fù)荷（放熱量）和冬季累計(jì)的熱負(fù)荷（需熱量）之比大致在1:1.8時(shí)地下就可以平衡。所以夏季開(kāi)空調(diào)哪怕少一點(diǎn)，對(duì)平衡也絕對(duì)有好處。
第二，當(dāng)然是和鉆孔的數(shù)量和間距有關(guān)系，我在一些場(chǎng)合也說(shuō)過(guò)，比如像北歐，人家用的也很多，像德國(guó)。德國(guó)那個(gè)地方，夏天其實(shí)很涼快，根本用不著空調(diào)，人家的地源熱泵就是解決冬天的供熱問(wèn)題，人家單供熱怎么就行呢，人家是一家一戶，兩三百個(gè)平方，就是鉆兩孔，人家的規(guī)范要求兩孔間距拉到十米以上，這種情況，它的影響會(huì)小得多，在一年的其他時(shí)間里頭。四面八方，孔周圍的巖土對(duì)它的導(dǎo)熱就會(huì)起到一個(gè)很好的補(bǔ)助作用。我們中國(guó)就不一樣，中國(guó)一弄就是一百個(gè)孔是小的，一千個(gè)孔是正常的。這個(gè)時(shí)候考巖土的導(dǎo)熱來(lái)補(bǔ)充就不行了。
在這個(gè)地方，我要告訴大家，其實(shí)在外國(guó)，我看到的一些資料，在嚴(yán)寒地區(qū)，人們更多的不是用豎直埋管，用水平埋管。有的人就覺(jué)得不理解了，嚴(yán)寒地區(qū)怎么用水平埋管，地表的溫度很低，你打深一點(diǎn)溫度好啊，溫度高了好幾度，你水平埋管不就完了嗎？我后來(lái)理解到了，在嚴(yán)寒地區(qū)它就是光供熱，它不要供冷。光供熱，如果用水平埋管的話，它一年的時(shí)間就會(huì)恢復(fù)，這個(gè)恢復(fù)，主要不是靠水平熱流，而是靠地表和地表的傳熱就可以對(duì)它恢復(fù)，所以它總體來(lái)說(shuō)，冷熱負(fù)荷不平衡的影響會(huì)比較小。當(dāng)然不是說(shuō)它的系統(tǒng)整個(gè)效率會(huì)高，它的COP是高不了的，它肯定是要用防凍液的，但是總比電鍋爐會(huì)要好一點(diǎn)，只要你初投資肯投，那么我用熱泵總要比電鍋爐或電直接加熱效率會(huì)高一點(diǎn)。
地下水流動(dòng)的影響，我還要講快一點(diǎn)，我還是希望要給大家留一點(diǎn)時(shí)間來(lái)討論這些問(wèn)題。地下水的流動(dòng)影響很大是說(shuō)什么意思呢，是說(shuō)兩個(gè)意思，第一個(gè)是說(shuō)，地下水流動(dòng)速度很小的地方，和地下水流動(dòng)很大的地方，這個(gè)差別可以很大，因?yàn)榈叵滤鲃?dòng)的速度可能會(huì)差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。關(guān)于這方面也是搞水文地質(zhì)的人他們最明白了，說(shuō)到底這個(gè)地方地下水流動(dòng)大概是多少啊，我真是不知道，小到多少，大到多大，我真是沒(méi)有數(shù)。小的話我們可以知道，有很多地方黏土，或者是砂巖，那個(gè)滲透率是非常小的，可以接近于零；大的話，當(dāng)然也有，所謂的大，我想根據(jù)我讀到的文件，大概也就是每年能夠到了幾十米的話，這個(gè)速度，每年幾十米就算不小。
但是現(xiàn)在的問(wèn)題是，怎樣確定這個(gè)地下有沒(méi)有地下水，地下水的流速有多大，這也許我們可以把這個(gè)問(wèn)題提出來(lái)，我們希望和搞水文地質(zhì)的人一起來(lái)把這個(gè)事來(lái)好好談?wù)?。我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候，我們?cè)趺礃觼?lái)知道地下水的情況怎么樣，因?yàn)橹辽僭诟闩照{(diào)的人的設(shè)計(jì)手冊(cè)或者推薦辦法里頭，我不知道有多少地下水的流動(dòng)，當(dāng)然包括地下水層的厚度，我們鉆了一百米，這個(gè)地方有十米的含水層，或者只有兩米的含水層，當(dāng)然有不一樣。這些情況不能確定，那么工程師，做暖通空調(diào)的工程師他怎么辦呢。所以現(xiàn)在地埋管換熱器的設(shè)計(jì)通常是按純導(dǎo)熱來(lái)設(shè)計(jì)的，也就是不考慮地下水滲流的作用，這樣偏于保守。有反映說(shuō)有些項(xiàng)目是單供熱，但運(yùn)行了幾年還不錯(cuò)，性能沒(méi)有明顯的衰減。我首先想到的原因是這個(gè)地方地下水的滲流相當(dāng)好。這些經(jīng)驗(yàn)需要總結(jié)。
再說(shuō)一說(shuō)地下冷熱不平衡怎樣解決。解決辦法當(dāng)然叫做復(fù)合系統(tǒng)了。第一個(gè)解決辦法可以是什么呢，我盡量地多埋管行不行啊，當(dāng)然行，你不怕花錢，說(shuō)我很不平衡的，本來(lái)埋一百個(gè)孔就夠了，我埋五百個(gè)孔行不行啊，行，大概你用二十年，它都可以滿足需求了，我完全可以設(shè)計(jì)得這樣，但是這個(gè)事恐怕不是一個(gè)好的辦法，大家都不喜歡用。
我們可以考慮的是復(fù)合系統(tǒng)，什么叫復(fù)合系統(tǒng)，就是有地源熱泵，地埋管系統(tǒng)加上其它的，比如說(shuō)冷卻塔，比如說(shuō)在上海我們用冷卻塔，在北方我們加個(gè)燃?xì)忮仩t，這種叫復(fù)合系統(tǒng)。復(fù)合系統(tǒng)的好處，當(dāng)然說(shuō)，如果上海熱量太多，我當(dāng)然是加個(gè)冷卻塔，我不會(huì)去上海加個(gè)燃?xì)忮仩t，這個(gè)太明白了，所以這叫根據(jù)我的負(fù)荷。假如說(shuō)在我們濟(jì)南來(lái)做吧。如果是一個(gè)居住建筑，我們說(shuō)它的冬天取熱量比較多，夏天空調(diào)開(kāi)的很少，老百姓住在家里不經(jīng)常開(kāi)，所以是不大平衡的，我們心里沒(méi)把握，怎么辦呢，我的負(fù)荷又算不準(zhǔn)怎么辦，我最好的辦法，我們做的話，可以跟業(yè)主講，要是有燃?xì)猓阌靡粋€(gè)燃?xì)忮仩t做后備。這個(gè)比較好，第一個(gè)冷熱負(fù)荷平衡比，第二個(gè)就是系統(tǒng)的可靠性。如果是醫(yī)院，我更會(huì)推薦你搞一個(gè)燃?xì)忮仩t，萬(wàn)一那個(gè)壞了呢，還有這一套墊著呢。第三個(gè)叫經(jīng)濟(jì)性，看起來(lái)多花了一點(diǎn)錢，其實(shí)沒(méi)有多花，拿整個(gè)生命周期的費(fèi)用來(lái)比較的話，它的經(jīng)濟(jì)性也是很好的。
地源熱泵系統(tǒng)，我們把它叫做可再生能源系統(tǒng)也好，節(jié)能系統(tǒng)也好，這些東西都是要花錢的，它是初投資高，但是它運(yùn)行費(fèi)用比較低，所以它經(jīng)濟(jì)性合理是在這。但是因?yàn)槲页跬顿Y投了很多錢，我希望它盡量地多用，一年里用的時(shí)間越長(zhǎng)，我的回收周期越短。但是我們的供熱供冷都有一個(gè)特點(diǎn)，全年的負(fù)荷是很不平衡的，一年最冷的時(shí)候也就十天八天，一年最熱的時(shí)候也就是那十天八天，我們?nèi)绻玫卦礋岜孟到y(tǒng)來(lái)滿足這些高峰負(fù)荷，我的初投資就會(huì)比較大，或者我設(shè)計(jì)的系統(tǒng)就會(huì)比較大，我的初投資就會(huì)比較高。
那么我們?nèi)绻麚Q一個(gè)思路，我們叫地源熱泵系統(tǒng)來(lái)承擔(dān)它的基礎(chǔ)負(fù)荷，百分之七十的負(fù)荷，高峰負(fù)荷的百分之七八十，剩下的那個(gè)怎么辦呢，我就用常規(guī)的能源，燃?xì)忮仩t或者電鍋爐，這些常規(guī)的能源它的特點(diǎn)是，初投資要比地源熱泵少得多，但是它的運(yùn)行費(fèi)用比較高。但是輔助系統(tǒng)的好處是它運(yùn)行的時(shí)間可能很短，一年里頭就那么短時(shí)間的運(yùn)行，而且理論上來(lái)說(shuō)，它不是承擔(dān)全部負(fù)荷，它只要承擔(dān)高峰負(fù)荷就行，所以運(yùn)行費(fèi)用貴，在這里就那么沒(méi)有嚴(yán)重的問(wèn)題，總算起來(lái)，可能是這種復(fù)合系統(tǒng)技術(shù)上是最合理的，經(jīng)濟(jì)上也是最合理的。
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“地?zé)?地源熱泵微講座”簡(jiǎn)介
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