土壤源熱泵在長三角地區(qū)的應(yīng)用與分析

摘 要

摘要：綜述了土壤源熱泵的類型和應(yīng)用。分析了土壤源熱泵在長三角地區(qū)應(yīng)用中存在的問題及原因，從技術(shù)和政策方面提出對(duì)策。關(guān)鍵詞：土壤源熱泵；長三角地區(qū)；土壤熱平衡；應(yīng)用分析Abstra
摘要：綜述了土壤源熱泵的類型和應(yīng)用。分析了土壤源熱泵在長三角地區(qū)應(yīng)用中存在的問題及原因，從技術(shù)和政策方面提出對(duì)策。
關(guān)鍵詞：土壤源熱泵；長三角地區(qū)；土壤熱平衡；應(yīng)用分析
Abstract：The types and application of ground-source heat pump are reviewed.The problems and reasons for application of ground-source heat pump in Yangtze River Delta region are analyzed，and some countermeasures in technology and policy are proposed.
Key words：ground-source heat pump；Yangtze River Delta region；soil thermal balance；application analysis
   土壤源熱泵是隨著全球能源緊張，環(huán)境問題與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展矛盾日益突出而逐漸發(fā)展起來的一種熱泵技術(shù)[1]。土壤源熱泵利用土壤作為熱源熱匯，具有工作環(huán)境穩(wěn)定、環(huán)保等特點(diǎn)，因此有廣泛的應(yīng)用前景[2～4]。國內(nèi)較早的土壤源熱泵工程是中美合作1987年開始籌建的上海閔行經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)辦公樓空調(diào)系統(tǒng)工程。常青[5]基于壽命周期，分析得出杭州、上海等長三角地區(qū)適用土壤源熱泵，但應(yīng)采取相應(yīng)措施促進(jìn)土壤源熱泵的適應(yīng)性及長期運(yùn)行性能。隨著土壤源熱泵在長三角地區(qū)的推廣，應(yīng)用項(xiàng)目的增多，也逐漸暴露出在設(shè)計(jì)、施工和使用過程中存在的問題。本文對(duì)土壤源熱泵在長三角地區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行分析。
1 土壤源熱泵的類型
    ① 單獨(dú)式土壤源熱泵
單獨(dú)式土壤源熱泵系統(tǒng)流程見圖1。地埋管換熱器可分為水平式、豎直式，工程中一般采用豎直式。它是由安裝在鉆孔中的U形管組成，通過傳熱介質(zhì)(通常為水或加入防凍液的水)在地埋管換熱器的封閉環(huán)路中循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與土壤換熱。熱泵機(jī)組通過消耗一部分高品位能源(電能)，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能的轉(zhuǎn)移。
 

   ② 熱回收式土壤源熱泵
熱回收式土壤源熱泵是為了解決土壤取排熱不平衡提出的技術(shù)，系統(tǒng)流程見圖2。在壓縮機(jī)出口增加換熱器3，無論冬夏季都可以提供生活熱水。夏季，壓縮機(jī)出口的高溫高壓制冷劑蒸氣，先經(jīng)過換熱器3與蓄熱水箱換熱，再經(jīng)過四通閥進(jìn)入換熱器1，通過地埋管換熱器把熱量排放到土壤中，這樣可適當(dāng)降低夏季向土壤的排熱量。冬季，地埋管換熱器從土壤中獲得的熱量同時(shí)滿足供暖和生活熱水要求。熱回收式土壤源熱泵在夏季可減少向土壤的排熱量，冬季增加從土壤中提取的熱量，實(shí)現(xiàn)全年土壤取排熱的基本平衡。
 

   ③ 復(fù)合式土壤源熱泵
復(fù)合式土壤源熱泵在單獨(dú)式土壤源熱泵基礎(chǔ)上，設(shè)置了輔助散熱或加熱裝置。目前，比較常見的復(fù)合式土壤源熱泵有兩種形式：一種是帶有冷卻塔輔助散熱的冷卻塔-土壤源熱泵(見圖3)；另一種是帶有太陽能集熱器輔助加熱的太陽能-土壤源熱泵(見圖4)[6]。
 

    研究表明，對(duì)于冷卻塔-土壤源熱泵，地埋管換熱器與冷卻塔的連接方式以并聯(lián)為佳[7～8]。冬季，冷卻塔不運(yùn)行，按照單獨(dú)式地源熱泵模式運(yùn)行；夏季，經(jīng)熱泵機(jī)組冷凝器的高溫傳熱介質(zhì)分別通過冷卻塔、地埋管換熱器降溫后進(jìn)入冷凝器。冷卻塔分擔(dān)了部分負(fù)荷，降低了夏季向土壤中排放的熱量，有助于冬夏季土壤熱平衡。對(duì)于只有供暖或生活熱水要求的建筑物，可采用太陽能-土壤源熱泵。該熱泵系統(tǒng)優(yōu)先利用太陽能，夏季可通過太陽能集熱器對(duì)土壤排熱，保持冬夏季土壤熱平衡。
2 土壤源熱泵的應(yīng)用
    王鵬英[9]分析了土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在上海地區(qū)某別墅建筑中應(yīng)用的可行性，提出土壤源熱泵優(yōu)于空氣源熱泵，是別墅類建筑的理想選擇。上海第一個(gè)生態(tài)辦公區(qū)——浦江智谷商務(wù)園，總建筑面積為13.8×104m2，采用了土壤源熱泵，該工程鉆孔數(shù)量共計(jì)1360個(gè)，內(nèi)徑為130mm，深度為100m，每個(gè)鉆孔埋設(shè)一個(gè)單U形管[10]?？偨ㄖ娣e約24.8×104m2的世博軸及地下綜合體，采用江水源熱泵+土壤源熱泵，江水源熱泵承擔(dān)67%的負(fù)荷，土壤源熱泵承擔(dān)33%的負(fù)荷。土壤源熱泵根據(jù)項(xiàng)目所在地的巖土熱物性試驗(yàn)結(jié)果，因地制宜地利用了6000根建筑樁基布置地埋管，這一技術(shù)是創(chuàng)新性地將建筑樁基與空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合起來，降低了工程造價(jià)，節(jié)省了土地資源[11]。
    土壤源熱泵在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸增多，且規(guī)模越來越大[12]。鹽城火車站站房總空調(diào)面積為5300m2，地埋管換熱器采用豎直式，夏季采用空氣-水系統(tǒng)、全空氣系統(tǒng)，冬季考慮站房大空間制熱效果和舒適度，采用熱水地板輻射供暖系統(tǒng)，熱泵機(jī)組產(chǎn)生的熱水直接送入地板下的盤管[13]。上海虹橋站特大型鐵路車站采用了土壤源熱泵，并首次采用站臺(tái)下埋管方式，鉆孔數(shù)量為1960個(gè)，深度為90m，采用U形管，占地面積約39200m2。熱泵系統(tǒng)采用間歇運(yùn)行，必要時(shí)采用輔助冷熱源，保證熱泵系統(tǒng)工作的高效率、可靠性[14]。
    土壤源熱泵在溫室和生物質(zhì)能利用中也有應(yīng)用。農(nóng)業(yè)溫室能耗較高，一直是亟待解決的問題[15]。傳統(tǒng)的溫室耗能大，效率低，易造成大氣污染。土壤源熱泵以土壤為熱源，只需要消耗少量的高品位能源。此外，地埋管換熱器在地下運(yùn)行，減小了對(duì)地面的熱、噪聲污染。因此，土壤源熱泵是一項(xiàng)理想的綠色技術(shù)，符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。
   冬季低溫工況滿負(fù)荷產(chǎn)氣，是沼氣工程產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。常見的沼氣池加熱方式包括電熱膜加熱、太陽能加熱、化石燃料熱水鍋爐加熱等多種方式。石惠嫻等人[16]基于各種常見沼氣池加熱方式的特點(diǎn)，針對(duì)中等規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程尚沒有比較經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)能環(huán)保的加熱方式，成功開發(fā)應(yīng)用了土壤源熱泵式沼氣池加熱系統(tǒng)。
   土壤源熱泵技術(shù)在水電站、游泳池、干燥等領(lǐng)域也有應(yīng)用研究[17～18]。在我國十二五能源政策的引領(lǐng)下，未來在長三角地區(qū)的應(yīng)用前景將更廣闊。
3 存在的主要問題與原因
3.1 存在的問題[19～21]
   ① 熱舒適性差
   熱舒適性差是土壤源熱泵在建筑空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用中面臨的重要問題，主要表現(xiàn)為熱泵系統(tǒng)沒有足夠的供冷供熱能力滿足建筑物冷熱負(fù)荷的需求。
   ② 傳熱介質(zhì)的泄漏
   土壤源熱泵關(guān)鍵設(shè)備為地埋管換熱器，包括地埋管、循環(huán)泵、閥門及其他輔助部件。地埋管換熱器的損壞易導(dǎo)致傳熱介質(zhì)的泄漏。
   ③ 系統(tǒng)造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用偏高
   土壤源熱泵系統(tǒng)造價(jià)較高，與技術(shù)成熟的空氣源熱泵和燃煤供熱技術(shù)相比最大的競(jìng)爭(zhēng)力就是節(jié)能、環(huán)保、運(yùn)行費(fèi)用低。然而，對(duì)土壤源熱泵項(xiàng)目的調(diào)查研究表明，實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用高于預(yù)計(jì)運(yùn)行費(fèi)用。這就大大影響土壤源熱泵技術(shù)的市場(chǎng)規(guī)模與推廣。
   ④ 認(rèn)知度不高、市場(chǎng)規(guī)模小
   由于我國可再生能源利用處于起步階段，因此社會(huì)各方面缺乏對(duì)土壤源熱泵技術(shù)推廣應(yīng)用的緊迫感、積極性。另外，傳統(tǒng)能源的應(yīng)用方式也在進(jìn)行技術(shù)改造，擴(kuò)大規(guī)模，形成了與土壤源熱泵技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。土壤源熱泵的技術(shù)優(yōu)勢(shì)未能被全面認(rèn)識(shí)，甚至出現(xiàn)了政府熱、市場(chǎng)冷的局面。
3.2 主要原因
   ① 缺乏對(duì)土壤源熱泵的適用性分析
   土壤源熱泵的適用性主要取決于項(xiàng)目所在地的地質(zhì)條件、土壤溫度、建筑冷熱負(fù)荷、現(xiàn)場(chǎng)是否具備敷設(shè)地埋管的土地面積。適中的土壤溫度、較小且穩(wěn)定的冷熱負(fù)荷、少巖石和地下水流動(dòng)性好的地質(zhì)條件是利用土壤源熱泵的前提。
   長三角地區(qū)土壤溫度常年穩(wěn)定在15～20℃，土壤含水率高，流動(dòng)性好，鉆孔難度不大。因此，土壤源熱泵在長三角地區(qū)的適用性分析主要集中在建筑冷熱負(fù)荷以及敷設(shè)地埋管的土地面積。熱泵機(jī)組的性能與土壤溫度變化、地埋管布置有密切關(guān)系，并不是所有的建筑空調(diào)系統(tǒng)都適用土壤源熱泵。對(duì)于有潔凈要求(新風(fēng)負(fù)荷大)、高除濕要求、較低空調(diào)溫度要求的高負(fù)荷建筑物以及空調(diào)系統(tǒng)使用隨機(jī)性高的領(lǐng)域采用土壤源熱泵是不經(jīng)濟(jì)的，較多的地埋管布置起來困難，較少的地埋管又不能滿足負(fù)荷要求。如蘇州運(yùn)行3年的某辦公樓土壤源熱泵，由于設(shè)計(jì)不當(dāng)，建筑實(shí)際冷負(fù)荷大于設(shè)計(jì)值，敷設(shè)的地埋管數(shù)量不足，夏季高溫天氣時(shí)，熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)大幅下降。
    ② 忽略土壤冬夏季熱平衡的重要性
    地埋管換熱器本質(zhì)上是季節(jié)性蓄熱裝置，冬季為夏季蓄存冷量，夏季為冬季蓄存熱量。長三角地區(qū)夏熱冬冷，對(duì)于一般民用建筑，最大熱負(fù)荷為最大冷負(fù)荷的50%～80%，且夏季空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間長，冬季運(yùn)行時(shí)間短，往往造成地埋管換熱器每年向土壤排放的熱量遠(yuǎn)高于從土壤吸收的熱量。以浙江寧波某辦公建筑為例，總建筑面積為2.2×104m2，最大冷負(fù)荷為2 400kW，最大熱負(fù)荷為1800kW，夏季向土壤排熱量為4 480×106kJ，冬季從土壤吸收熱量為980×106kJ，排熱量為吸熱量的4.6倍。
    若土壤冬夏季熱平衡處理不當(dāng)，往往導(dǎo)致夏季空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)以下情況：夏季運(yùn)行能耗的增加大于冬季運(yùn)行功耗的減少，全年運(yùn)行總功耗增加；空調(diào)系統(tǒng)供水溫度上升，末端設(shè)備制冷和除濕能力下降；地埋管換熱器傳熱介質(zhì)溫度上升，機(jī)組在不利工況下運(yùn)行，影響壽命，甚至超出機(jī)組的允許工作溫度范圍，使機(jī)組停機(jī)。
    對(duì)于土壤源熱泵在沼氣池、游泳池、干燥領(lǐng)域的應(yīng)用，熱泵系統(tǒng)僅從土壤吸熱，而不采取有效措施向土壤補(bǔ)充熱量，長期運(yùn)行易導(dǎo)致土壤溫度降低，制熱性能系數(shù)下降。一般情況下，土壤溫度降低1℃，單位制熱量的能耗增加3%～4%。一些未考慮土壤冬夏季平衡的熱泵工程，一般前兩年還能滿足室內(nèi)溫度要求，隨著時(shí)間的推移，效果越來越差。
   ③ 工程施工質(zhì)量較差
   在土壤源熱泵工程施工過程中，鉆孔及回填是重要環(huán)節(jié)。不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用相應(yīng)的效率較高的鉆孔設(shè)備、方法，這樣不僅可有效控制鉆孔質(zhì)量，還可以提高鉆孔效率。回填材料介于地埋管與鉆孔壁之間，是巖土體與U形管間換熱的橋梁，用來增強(qiáng)地埋管與周圍巖土體的換熱，并防止地表水污染地下水。優(yōu)質(zhì)回填材料可防止巖土體凍結(jié)、收縮、板結(jié)等，提高地埋管的換熱效率。
    地埋管敷設(shè)屬于地下隱蔽工程，設(shè)計(jì)壽命一般情況下不低于50年。但目前尚未對(duì)土壤源熱泵施工單位建立完善的資質(zhì)審核制度，施工隊(duì)伍技術(shù)水平良莠不齊，難以保證施工質(zhì)量。
   ④ 運(yùn)行控制不合理
   對(duì)于單獨(dú)式土壤源熱泵，長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，而采用一定的運(yùn)行機(jī)制，保證熱泵系統(tǒng)間歇運(yùn)行，有助于保持土壤冬夏季熱平衡，提高熱泵系統(tǒng)的能效。對(duì)于復(fù)合式地源熱泵，控制地埋管換熱器與輔助加熱或散熱設(shè)備按一定的機(jī)制運(yùn)行，可最大限度利用巖土體的蓄、放熱特性，使地埋管換熱器始終能夠進(jìn)行高效換熱并延長其使用壽命。
    然而，在土壤源熱泵的運(yùn)行過程中，操作人員往往不能嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作。在一些大型建筑空調(diào)系統(tǒng)工程和只有供熱要求的建筑中，通常采用復(fù)合式土壤源熱泵，并配有輔助熱源或冷源，操作人員不能及時(shí)準(zhǔn)確地控制輔助冷熱源的啟停，將影響土壤冬夏季熱平衡與整體運(yùn)行效果。
    ⑤ 相關(guān)能源政策與監(jiān)管不到位
    雖然政府在推動(dòng)土壤源熱泵技術(shù)方面付出了努力，但相關(guān)的政策支持和財(cái)政補(bǔ)貼措施仍顯薄弱，并且存在管理、歸口部門不明晰等問題。由于目前相關(guān)的管理措施和技術(shù)手段缺乏，沒有相應(yīng)市場(chǎng)準(zhǔn)入機(jī)制制約施工單位，主管部門監(jiān)管不力，在項(xiàng)目實(shí)施中引發(fā)了較多問題。對(duì)于已經(jīng)完工正常運(yùn)轉(zhuǎn)的項(xiàng)目也缺乏相應(yīng)的監(jiān)督評(píng)估機(jī)制，土壤源熱泵對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的分析與監(jiān)督意識(shí)薄弱，某些傳熱介質(zhì)、填料易造成地下水、土壤、地表植被的污染或破壞，如何防范還有待深入研究。
4 對(duì)策
    ① 對(duì)策1
    分析項(xiàng)目的適用性，做好勘察設(shè)計(jì)工作。分析項(xiàng)目的適用性，在長三角地區(qū)土壤溫度比較適宜，地質(zhì)較理想，決定土壤源熱泵適用性的關(guān)鍵因素為冷熱負(fù)荷與敷設(shè)地埋管的土地面積。在保證充足土地面積的前提下，冷熱負(fù)荷將成為影響熱泵機(jī)組的運(yùn)行特性和地埋管換熱器工作性能的關(guān)鍵，應(yīng)采用動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算軟件分析建筑物全年逐時(shí)負(fù)荷。
    地下埋管換熱器是土壤源熱泵設(shè)計(jì)的核心部分，設(shè)計(jì)合理與否直接影響熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效果及系統(tǒng)造價(jià)。土壤的初始溫度、類型、傳熱特性以及密度、濕度等參數(shù)是影響地埋管換熱器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，因此應(yīng)做好施工區(qū)域的巖土勘察和土壤熱物性測(cè)試工作。
   ② 對(duì)策2
   優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，綜合利用可再生能源。對(duì)于長三角地區(qū)的土壤源熱泵工程，普遍存在土壤取排熱不平衡問題，應(yīng)具體問題具體分析，根據(jù)不同的工程優(yōu)化土壤源熱泵。在建筑空調(diào)應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)于空調(diào)面積在5000m2以內(nèi)的建筑，優(yōu)先采用熱回收式土壤源熱泵；對(duì)于5000m2以上的建筑，當(dāng)熱回收式土壤源熱泵不能滿足要求時(shí)，可采用冷卻塔-土壤源熱泵。在沼氣池加熱、游泳池加熱、溫室供暖方面，可采用太陽能-土壤源熱泵，適當(dāng)利用太陽能，減小熱泵機(jī)組、循環(huán)泵等設(shè)備容量，并有利于土壤冬夏季熱平衡。
    ③ 對(duì)策3
    加強(qiáng)培訓(xùn)，嚴(yán)格審批，綜合評(píng)價(jià)。通過專業(yè)技術(shù)學(xué)會(huì)搭建技術(shù)創(chuàng)新和服務(wù)平臺(tái)，加強(qiáng)對(duì)勘察、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工和房地產(chǎn)開發(fā)、燃煤供熱、熱泵設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)等單位從業(yè)人員的業(yè)務(wù)培訓(xùn)，定期舉辦土壤源熱泵供熱運(yùn)行管理人員培訓(xùn)班。嚴(yán)格依據(jù)國家、地方的相關(guān)法律法規(guī)和管理辦法，實(shí)施土壤源熱泵項(xiàng)目申報(bào)審批制度，加強(qiáng)設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、驗(yàn)收等各環(huán)節(jié)的審查和管理工作，科學(xué)推進(jìn)土壤源熱泵的建設(shè)。
    建立土壤源熱泵系統(tǒng)測(cè)試評(píng)價(jià)制度，編制地方評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于投入運(yùn)行的項(xiàng)目運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而能夠準(zhǔn)確地分析土壤源熱泵的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、安全性以及節(jié)能性，綜合評(píng)價(jià)其應(yīng)用潛力。
    ④ 對(duì)策4
    出臺(tái)政策，重點(diǎn)扶持，加強(qiáng)宣傳。從產(chǎn)業(yè)政策、城市規(guī)劃、能源建設(shè)等方面統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，給土壤源熱泵技術(shù)發(fā)展以有力支持。在建設(shè)項(xiàng)目方面，結(jié)合節(jié)能減排、綠色建筑技術(shù)的推行，制定相應(yīng)鼓勵(lì)、支持土壤源熱泵技術(shù)發(fā)展的優(yōu)惠政策。可以借鑒山西、重慶、沈陽、寧波等地的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)立可再生能源建筑應(yīng)用專項(xiàng)資金和示范工程獎(jiǎng)勵(lì)資金，研究建立市政配套費(fèi)、水資源費(fèi)征收等方面的優(yōu)惠政策，重點(diǎn)扶持發(fā)展土壤源熱泵應(yīng)用示范工程。加強(qiáng)土壤源熱泵技術(shù)的宣傳力度，普及土壤源熱泵的基礎(chǔ)知識(shí)，使公眾充分認(rèn)識(shí)到土壤源熱泵技術(shù)在可再生能源利用中的重要作用。
5 結(jié)語
   長三角地區(qū)比較適合采用土壤源熱泵，其應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到建筑、鐵路、溫室、生物質(zhì)能源、游泳池、干燥等領(lǐng)域。根據(jù)氣候與應(yīng)用領(lǐng)域的負(fù)荷特點(diǎn)，土壤源熱泵系統(tǒng)也在發(fā)展與完善，但公眾對(duì)土壤源熱泵技術(shù)優(yōu)勢(shì)認(rèn)識(shí)不足，加之已經(jīng)運(yùn)行的工程項(xiàng)目出現(xiàn)系統(tǒng)造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用偏高、舒適性差等問題，導(dǎo)致土壤源熱泵技術(shù)市場(chǎng)規(guī)模小，推廣應(yīng)用困難。因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)土壤源熱泵技術(shù)的宣傳，制定相應(yīng)政策，完善設(shè)計(jì)、施工標(biāo)準(zhǔn)。
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(本文作者：趙微 呂偉 呂宗虎 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院上海 200090)