土壤源熱泵在長三角地區(qū)的應用與分析

摘 要

摘要：綜述了土壤源熱泵的類型和應用。分析了土壤源熱泵在長三角地區(qū)應用中存在的問題及原因，從技術和政策方面提出對策。關鍵詞：土壤源熱泵；長三角地區(qū)；土壤熱平衡；應用分析Abstra
摘要：綜述了土壤源熱泵的類型和應用。分析了土壤源熱泵在長三角地區(qū)應用中存在的問題及原因，從技術和政策方面提出對策。
關鍵詞：土壤源熱泵；長三角地區(qū)；土壤熱平衡；應用分析
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[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，因此有廣泛的應用前景[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)濟技術開發(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，但應采取相應措施促進土壤源熱泵的適應性及長期運行性能。隨著土壤源熱泵在長三角地區(qū)的推廣，應用項目的增多，也逐漸暴露出在設計、施工和使用過程中存在的問題。本文對土壤源熱泵在長三角地區(qū)的應用進行分析。
1 土壤源熱泵的類型
    ① 單獨式土壤源熱泵
單獨式土壤源熱泵系統(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，實現(xiàn)與土壤換熱。熱泵機組通過消耗一部分高品位能源(電能)，實現(xiàn)低位熱能向高位熱能的轉移。
 

   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，系統(tǒng)流程見圖2。在壓縮機出口增加換熱器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，實現(xiàn)全年土壤取排熱的基本平衡。
 

   ③ 復合式土壤源熱泵
復合式土壤源熱泵在單獨式土壤源熱泵基礎上，設置了輔助散熱或加熱裝置。目前，比較常見的復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，冷卻塔不運行，按照單獨式地源熱泵模式運行；夏季，經(jīng)熱泵機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入冷凝器。冷卻塔分擔了部分負荷，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土壤排熱，保持冬夏季土壤熱平衡。
2 土壤源熱泵的應用
    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。上海第一個生態(tài)辦公區(qū)——浦江智谷商務園，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1360個，內(nèi)徑為130mm，深度為100m，每個鉆孔埋設一個單U形管[10]。總建筑面積約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67%的負荷，土壤源熱泵承擔33%的負荷。土壤源熱泵根據(jù)項目所在地的巖土熱物性試驗結果，因地制宜地利用了6000根建筑樁基布置地埋管，這一技術是創(chuàng)新性地將建筑樁基與空調(diào)系統(tǒng)結合起來，降低了工程造價，節(jié)省了土地資源[11]。
    土壤源熱泵在鐵路領域的應用也逐漸增多，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，并首次采用站臺下埋管方式，鉆孔數(shù)量為1960個，深度為90m，采用U形管，占地面積約39200m2。熱泵系統(tǒng)采用間歇運行，必要時采用輔助冷熱源，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行，減小了對地面的熱、噪聲污染。因此，土壤源熱泵是一項理想的綠色技術，符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。
   冬季低溫工況滿負荷產(chǎn)氣，是沼氣工程產(chǎn)業(yè)化的關鍵。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，針對中等規(guī)模養(yǎng)殖場沼氣工程尚沒有比較經(jīng)濟合理、節(jié)能環(huán)保的加熱方式，成功開發(fā)應用了土壤源熱泵式沼氣池加熱系統(tǒng)。
   土壤源熱泵技術在水電站、游泳池、干燥等領域也有應用研究[17～18]。在我國十二五能源政策的引領下，未來在長三角地區(qū)的應用前景將更廣闊。
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)領域應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荷的需求。
   ② 傳熱介質(zhì)的泄漏
   土壤源熱泵關鍵設備為地埋管換熱器，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致傳熱介質(zhì)的泄漏。
   ③ 系統(tǒng)造價、運行費用偏高
   土壤源熱泵系統(tǒng)造價較高，與技術成熟的空氣源熱泵和燃煤供熱技術相比最大的競爭力就是節(jié)能、環(huán)保、運行費用低。然而，對土壤源熱泵項目的調(diào)查研究表明，實際運行費用高于預計運行費用。這就大大影響土壤源熱泵技術的市場規(guī)模與推廣。
   ④ 認知度不高、市場規(guī)模小
   由于我國可再生能源利用處于起步階段，因此社會各方面缺乏對土壤源熱泵技術推廣應用的緊迫感、積極性。另外，傳統(tǒng)能源的應用方式也在進行技術改造，擴大規(guī)模，形成了與土壤源熱泵技術的競爭。土壤源熱泵的技術優(yōu)勢未能被全面認識，甚至出現(xiàn)了政府熱、市場冷的局面。
3.2 主要原因
   ① 缺乏對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目所在地的地質(zhì)條件、土壤溫度、建筑冷熱負荷、現(xiàn)場是否具備敷設地埋管的土地面積。適中的土壤溫度、較小且穩(wěn)定的冷熱負荷、少巖石和地下水流動性好的地質(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荷以及敷設地埋管的土地面積。熱泵機組的性能與土壤溫度變化、地埋管布置有密切關系，并不是所有的建筑空調(diào)系統(tǒng)都適用土壤源熱泵。對于有潔凈要求(新風負荷大)、高除濕要求、較低空調(diào)溫度要求的高負荷建筑物以及空調(diào)系統(tǒng)使用隨機性高的領域采用土壤源熱泵是不經(jīng)濟的，較多的地埋管布置起來困難，較少的地埋管又不能滿足負荷要求。如蘇州運行3年的某辦公樓土壤源熱泵，由于設計不當，建筑實際冷負荷大于設計值，敷設的地埋管數(shù)量不足，夏季高溫天氣時，熱泵機組制冷性能系數(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，對于一般民用建筑，最大熱負荷為最大冷負荷的50%～80%，且夏季空調(diào)系統(tǒng)運行時間長，冬季運行時間短，往往造成地埋管換熱器每年向土壤排放的熱量遠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，最大冷負荷為2 400kW，最大熱負荷為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，往往導致夏季空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)以下情況：夏季運行能耗的增加大于冬季運行功耗的減少，全年運行總功耗增加；空調(diào)系統(tǒng)供水溫度上升，末端設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，機組在不利工況下運行，影響壽命，甚至超出機組的允許工作溫度范圍，使機組停機。
    對于土壤源熱泵在沼氣池、游泳池、干燥領域的應用，熱泵系統(tǒng)僅從土壤吸熱，而不采取有效措施向土壤補充熱量，長期運行易導致土壤溫度降低，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)結構應采用相應的效率較高的鉆孔設備、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、收縮、板結等，提高地埋管的換熱效率。
    地埋管敷設屬于地下隱蔽工程，設計壽命一般情況下不低于50年。但目前尚未對土壤源熱泵施工單位建立完善的資質(zhì)審核制度，施工隊伍技術水平良莠不齊，難以保證施工質(zhì)量。
   ④ 運行控制不合理
   對于單獨式土壤源熱泵，長時間連續(xù)運行會導致系統(tǒng)性能下降，而采用一定的運行機制，保證熱泵系統(tǒng)間歇運行，有助于保持土壤冬夏季熱平衡，提高熱泵系統(tǒng)的能效。對于復合式地源熱泵，控制地埋管換熱器與輔助加熱或散熱設備按一定的機制運行，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行高效換熱并延長其使用壽命。
    然而，在土壤源熱泵的運行過程中，操作人員往往不能嚴格按照操作規(guī)程進行操作。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，操作人員不能及時準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行效果。
    ⑤ 相關能源政策與監(jiān)管不到位
    雖然政府在推動土壤源熱泵技術方面付出了努力，但相關的政策支持和財政補貼措施仍顯薄弱，并且存在管理、歸口部門不明晰等問題。由于目前相關的管理措施和技術手段缺乏，沒有相應市場準入機制制約施工單位，主管部門監(jiān)管不力，在項目實施中引發(fā)了較多問題。對于已經(jīng)完工正常運轉的項目也缺乏相應的監(jiān)督評估機制，土壤源熱泵對生態(tài)環(huán)境影響的分析與監(jiān)督意識薄弱，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 對策
    ① 對策1
    分析項目的適用性，做好勘察設計工作。分析項目的適用性，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鍵因素為冷熱負荷與敷設地埋管的土地面積。在保證充足土地面積的前提下，冷熱負荷將成為影響熱泵機組的運行特性和地埋管換熱器工作性能的關鍵，應采用動態(tài)負荷計算軟件分析建筑物全年逐時負荷。
    地下埋管換熱器是土壤源熱泵設計的核心部分，設計合理與否直接影響熱泵系統(tǒng)的運行效果及系統(tǒng)造價。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計的重要參數(shù)，因此應做好施工區(qū)域的巖土勘察和土壤熱物性測試工作。
   ② 對策2
   優(yōu)化系統(tǒng)設計，綜合利用可再生能源。對于長三角地區(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)應用領域，對于空調(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；對于5000m2以上的建筑，當熱回收式土壤源熱泵不能滿足要求時，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，適當利用太陽能，減小熱泵機組、循環(huán)泵等設備容量，并有利于土壤冬夏季熱平衡。
    ③ 對策3
    加強培訓，嚴格審批，綜合評價。通過專業(yè)技術學會搭建技術創(chuàng)新和服務平臺，加強對勘察、設計、監(jiān)理、施工和房地產(chǎn)開發(fā)、燃煤供熱、熱泵設備生產(chǎn)企業(yè)等單位從業(yè)人員的業(yè)務培訓，定期舉辦土壤源熱泵供熱運行管理人員培訓班。嚴格依據(jù)國家、地方的相關法律法規(guī)和管理辦法，實施土壤源熱泵項目申報審批制度，加強設計、施工、監(jiān)理、驗收等各環(huán)節(jié)的審查和管理工作，科學推進土壤源熱泵的建設。
    建立土壤源熱泵系統(tǒng)測試評價制度，編制地方評價標準。對于投入運行的項目運行進行監(jiān)測，進而能夠準確地分析土壤源熱泵的經(jīng)濟性、環(huán)保性、安全性以及節(jié)能性，綜合評價其應用潛力。
    ④ 對策4
    出臺政策，重點扶持，加強宣傳。從產(chǎn)業(yè)政策、城市規(guī)劃、能源建設等方面統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，給土壤源熱泵技術發(fā)展以有力支持。在建設項目方面，結合節(jié)能減排、綠色建筑技術的推行，制定相應鼓勵、支持土壤源熱泵技術發(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，設立可再生能源建筑應用專項資金和示范工程獎勵資金，研究建立市政配套費、水資源費征收等方面的優(yōu)惠政策，重點扶持發(fā)展土壤源熱泵應用示范工程。加強土壤源熱泵技術的宣傳力度，普及土壤源熱泵的基礎知識，使公眾充分認識到土壤源熱泵技術在可再生能源利用中的重要作用。
5 結語
   長三角地區(qū)比較適合采用土壤源熱泵，其應用已經(jīng)擴展到建筑、鐵路、溫室、生物質(zhì)能源、游泳池、干燥等領域。根據(jù)氣候與應用領域的負荷特點，土壤源熱泵系統(tǒng)也在發(fā)展與完善，但公眾對土壤源熱泵技術優(yōu)勢認識不足，加之已經(jīng)運行的工程項目出現(xiàn)系統(tǒng)造價、運行費用偏高、舒適性差等問題，導致土壤源熱泵技術市場規(guī)模小，推廣應用困難。因此應加強對土壤源熱泵技術的宣傳，制定相應政策，完善設計、施工標準。
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(本文作者：趙微 呂偉 呂宗虎 同濟大學建筑設計研究院上海 200090)