時 間：2016年12月29日晚8:00-9:00點
（中國地源熱泵產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟微講座群）
組 織 者：中國地源熱泵產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書處
演講嘉賓：中國地源熱泵產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長、國際地源熱泵協(xié)會中國分會會長 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)荷平衡問題》
【研究背景】
地源熱泵的應(yīng)用實踐
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，大家知道我是過了七十了，學(xué)這些新技術(shù)可能是有點落后，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)我在很多場合也都說過了，地源熱泵有三個缺點，好處我先不說了，其中一個最重要的缺點是，除了地源熱泵系統(tǒng)外別的都沒有的，多出一個特別的問題叫做我們地下有一個叫冷熱負(fù)荷平衡的問題，其它的供熱系統(tǒng)都沒有這個問題。
我們中國的地源熱泵進入市場是在2005年。這個問題在開始的時候，大家認(rèn)識并不是一致。我們地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)過實際應(yīng)用，進入市場，大概有十年多一點的時間，現(xiàn)在大家認(rèn)識比較一致了。我可能現(xiàn)在講這個問題比較好講一點，那么說為什么要講這個事？我想第一個是，由于我們地源熱泵在應(yīng)用的實踐中發(fā)現(xiàn)了問題，我們不能不講。
我們對這個問題的理解，這個地源熱泵系統(tǒng)的熱量是哪來的，那個熱量是土和石頭里來的，但是呢，它要求一個平衡，我們冬天用的那個熱量，需要在全年的其他時間有熱量的補充的，這是一個傳熱的理論，蓄熱的理論。
大地?zé)崃骼碚搶Σ粚δ?，大地?zé)崃鳟?dāng)然是對的。這是學(xué)地質(zhì)的人，他們講這個理論比較清楚，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)崃髂兀驗榈匦氖菬岬?，可?000°左右，我們地表那是0~20°這樣一個地表的溫度，所以當(dāng)然它有熱量傳出來，那么這個傳熱呢，如果是固體導(dǎo)熱，那么公式也非常簡單，多少厚的一個地殼，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?。大地?zé)崃髟诓煌胤绞遣灰粯拥?，比如說那個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)崃饕矔煌?/span>
大地?zé)崃魇怯械模且看蟮責(zé)崃鱽硌a，你是在上頭把那個熱量都抽走了，你要指望大地?zé)崃鱽硌a是補不上的，實際上在我們地源熱泵系統(tǒng)里頭那個熱流，它不是從下面往上跑，是四面八方是水平地流過來的。我們做了一個鉆孔埋管在那里，有溫差，熱流是水平方向往這個孔里頭來導(dǎo)熱，是這樣的一個情況。大地?zé)崃鲝牡紫律蟻?，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，兩者差3個數(shù)量級。我想關(guān)于這個問題，恐怕已經(jīng)講了不少了，要再講的話后面就沒有時間了，甚至還有人當(dāng)時也在討論說，地源熱泵的熱量是太陽能，是太陽曬到地下，我今天恐怕沒有時間來展開講了，要是再講的話，后面的正題都沒時間。
剛才說的，一點沒有要跟我們主流唱反調(diào)的事，說地源熱泵是淺層地?zé)崮?，可再生能源，我非常贊成，我們要舉這個旗幟，我們要爭取政府的支持，政府給補貼當(dāng)然最好，多多益善，這是對發(fā)展我們地源熱泵產(chǎn)業(yè)有利，而且對老百姓也是有利的，把這個事早點做起來，這是有利的。
我想還是言歸正傳講一些下面的事。第一就是說冷熱負(fù)荷不平衡的問題，影響因素有哪些？第一個當(dāng)然非常明顯的是冷熱負(fù)荷大小和比例，這就是說，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，就說在濟南，你是居住建筑和一個辦公樓也是不一樣的，和商業(yè)建筑也是不一樣的，那么這個冷熱負(fù)荷大小比例要怎么辦呢，照理說是要算出來的。照理說我們在建筑空調(diào)設(shè)計里頭有一個動態(tài)負(fù)荷計算軟件。動態(tài)設(shè)計軟件就是可以把建筑物的逐時負(fù)荷都給算出來。當(dāng)然一個很大的樓，其實算起來是很費勁的，一個一個房間要算，據(jù)我所知一般我們中國的建筑設(shè)計院里頭，其實都不是這樣算，算起來太麻煩，而且恐怕也算不準(zhǔn)，因為這個樓將來到底怎么用，其實他們也是沒有把握的事，將來的變量太多。所以大家一般都用一個叫做熱負(fù)荷指標(biāo)、冷負(fù)荷指標(biāo)，一平方米大概算多少瓦，冬天算個三十瓦， 大概就這樣，夏天我們說憑經(jīng)驗，一百瓦，八十瓦，加上一共樓的面積有多少，就算出來了，但是這樣算的，只是一個峰值負(fù)荷。
地源熱泵的設(shè)計來說，其實峰值負(fù)荷當(dāng)然是很重要的，但是我們重要的是一個全年累積的負(fù)荷，這件事，嚴(yán)格來說非得要動態(tài)負(fù)荷一個小時一個小時算，才能算出來。但是我剛才也說了，其實說實話，真要用軟件算，也是算不很準(zhǔn)的，這個地方怎么辦？我有時候給學(xué)生講課，對這個事兒有兩種來考慮問題的思路，一種叫科學(xué)，一種叫技術(shù)。科學(xué)叫我們是要認(rèn)識世界，說這個事到底有什么規(guī)律。還有一種叫技術(shù)，是說怎樣改造世界。當(dāng)科學(xué)還沒有完全認(rèn)知規(guī)律的時候，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。工程師第一是在實踐中試，在試錯中學(xué)習(xí)；第二是在算不準(zhǔn)的時候會留有余地，所以我們有很多空調(diào)的設(shè)計，留的余地太大，這個地方放大百分之十，這個地方放大百分之二十，五個地方放大了以后，放了一倍還不止了啊。這種情況大家在很多實際空調(diào)工程里發(fā)現(xiàn)了很多，機房里頭放了四臺機器，開兩臺的時候都很少。在設(shè)計地源熱泵系統(tǒng)時也免不了要適當(dāng)留有余地。那么還有一種辦法其實我們可以用，還有其它的思路，比如我們的復(fù)合系統(tǒng)，一會我會講。所以說第一個，應(yīng)該怎么算，其實從道理上來說，就是你要動態(tài)負(fù)荷，全年的負(fù)荷，一個小時一個小時算，你把它累積起來，冬天一共要吸收多少熱量，夏天要放出去多少熱量。
這個地方，我其實要告訴大家一個稍微好點的消息，剛才說了算不準(zhǔn)怎么辦。因為我們主要在山東，我們做地源熱泵其實開始的時候，首先要解決的是北方的供熱問題，南方的空調(diào)問題要不要用地源熱泵或者說其他技術(shù)都很成熟，真正開始要推地源熱泵其實是為了解決北方的供熱問題。北方的供熱問題，我們碰到的建筑，最怕是冬天熱不夠了，夏天熱多了一點不怕。所以我們在北方做地源熱泵項目的話，我就是怕冬天不行，冬天出問題。我要告訴大家一個稍微好一點的消息，根據(jù)我的一個基本的簡單的估算，我們所謂要平衡，并不是說我們夏天放出來的熱量，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，這個時候，因為夏天建筑物的熱量，還要加上壓縮機的功，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的，還有一部分是壓縮機的功，水泵的功等，都會變成熱量。所以夏季建筑累計的冷負(fù)荷（放熱量）和冬季累計的熱負(fù)荷（需熱量）之比大致在1:1.8時地下就可以平衡。所以夏季開空調(diào)哪怕少一點，對平衡也絕對有好處。
第二，當(dāng)然是和鉆孔的數(shù)量和間距有關(guān)系，我在一些場合也說過，比如像北歐，人家用的也很多，像德國。德國那個地方，夏天其實很涼快，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題，人家單供熱怎么就行呢，人家是一家一戶，兩三百個平方，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，它的影響會小得多，在一年的其他時間里頭。四面八方，孔周圍的巖土對它的導(dǎo)熱就會起到一個很好的補助作用。我們中國就不一樣，中國一弄就是一百個孔是小的，一千個孔是正常的。這個時候考巖土的導(dǎo)熱來補充就不行了。
在這個地方，我要告訴大家，其實在外國，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，你打深一點溫度好啊，溫度高了好幾度，你水平埋管不就完了嗎？我后來理解到了，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，它一年的時間就會恢復(fù)，這個恢復(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它恢復(fù)，所以它總體來說，冷熱負(fù)荷不平衡的影響會比較小。當(dāng)然不是說它的系統(tǒng)整個效率會高，它的COP是高不了的，它肯定是要用防凍液的，但是總比電鍋爐會要好一點，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高一點。
地下水流動的影響，我還要講快一點，我還是希望要給大家留一點時間來討論這些問題。地下水的流動影響很大是說什么意思呢，是說兩個意思，第一個是說，地下水流動速度很小的地方，和地下水流動很大的地方，這個差別可以很大，因為地下水流動的速度可能會差幾個數(shù)量級。關(guān)于這方面也是搞水文地質(zhì)的人他們最明白了，說到底這個地方地下水流動大概是多少啊，我真是不知道，小到多少，大到多大，我真是沒有數(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，這個速度，每年幾十米就算不小。
但是現(xiàn)在的問題是，怎樣確定這個地下有沒有地下水，地下水的流速有多大，這也許我們可以把這個問題提出來，我們希望和搞水文地質(zhì)的人一起來把這個事來好好談?wù)?。我們在設(shè)計的時候，我們怎么樣來知道地下水的情況怎么樣，因為至少在搞暖通空調(diào)的人的設(shè)計手冊或者推薦辦法里頭，我不知道有多少地下水的流動，當(dāng)然包括地下水層的厚度，我們鉆了一百米，這個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)計通常是按純導(dǎo)熱來設(shè)計的，也就是不考慮地下水滲流的作用，這樣偏于保守。有反映說有些項目是單供熱，但運行了幾年還不錯，性能沒有明顯的衰減。我首先想到的原因是這個地方地下水的滲流相當(dāng)好。這些經(jīng)驗需要總結(jié)。
再說一說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，說我很不平衡的，本來埋一百個孔就夠了，我埋五百個孔行不行啊，行，大概你用二十年，它都可以滿足需求了，我完全可以設(shè)計得這樣，但是這個事恐怕不是一個好的辦法，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，比如說冷卻塔，比如說在上海我們用冷卻塔，在北方我們加個燃?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，如果上海熱量太多，我當(dāng)然是加個冷卻塔，我不會去上海加個燃?xì)忮仩t，這個太明白了，所以這叫根據(jù)我的負(fù)荷。假如說在我們濟南來做吧。如果是一個居住建筑，我們說它的冬天取熱量比較多，夏天空調(diào)開的很少，老百姓住在家里不經(jīng)常開，所以是不大平衡的，我們心里沒把握，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)?，你用一個燃?xì)忮仩t做后備。這個比較好，第一個冷熱負(fù)荷平衡比，第二個就是系統(tǒng)的可靠性。如果是醫(yī)院，我更會推薦你搞一個燃?xì)忮仩t，萬一那個壞了呢，還有這一套墊著呢。第三個叫經(jīng)濟性，看起來多花了一點錢，其實沒有多花，拿整個生命周期的費用來比較的話，它的經(jīng)濟性也是很好的。
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，但是它運行費用比較低，所以它經(jīng)濟性合理是在這。但是因為我初投資投了很多錢，我希望它盡量地多用，一年里用的時間越長，我的回收周期越短。但是我們的供熱供冷都有一個特點，全年的負(fù)荷是很不平衡的，一年最冷的時候也就十天八天，一年最熱的時候也就是那十天八天，我們?nèi)绻玫卦礋岜孟到y(tǒng)來滿足這些高峰負(fù)荷，我的初投資就會比較大，或者我設(shè)計的系統(tǒng)就會比較大，我的初投資就會比較高。
那么我們?nèi)绻麚Q一個思路，我們叫地源熱泵系統(tǒng)來承擔(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)的能源它的特點是，初投資要比地源熱泵少得多，但是它的運行費用比較高。但是輔助系統(tǒng)的好處是它運行的時間可能很短，一年里頭就那么短時間的運行，而且理論上來說，它不是承擔(dān)全部負(fù)荷，它只要承擔(dān)高峰負(fù)荷就行，所以運行費用貴，在這里就那么沒有嚴(yán)重的問題，總算起來，可能是這種復(fù)合系統(tǒng)技術(shù)上是最合理的，經(jīng)濟上也是最合理的。
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