对地源热泵技术在空调工程应用中一些问题的探讨

我国地下水资源日趋短缺，地下水地源热泵可在条件合适的工程中得到合理应用，土壤换热器地源热泵技术值得推广；混合式地源热泵是解决土壤热平衡问题、土壤换热器所需面积问题以及工程造价偏高问题的行之有效的办法，应用场合广；分区域控制的方案更能体现地源热泵的优势和特点；地源热泵的设计要提高整个系统的能效比、性能系数以及季节能效比。

地源热泵技术在供热和空调工程中的应用，以其具有显著的节能与环保效果而受到国家有关部门的重视以及有关科研和工程技术人员的青睐，国内已有越来越多的供热空调工程采用了地源热泵技术。

但地源热泵是个统称，它包括地下水地源热泵、地表水地源热泵和土壤换热器地源热泵三种基本形式和各种混合式地源热泵系统。目前国内对地源热泵及其各种形式的称呼较多，人们对地源热泵的概念可能有多种理解。各种形式的地源热泵技术各有其合适的应用范围，本文对地源热泵技术在空调工程应用中存在的一些问题进行探讨。



我国地下水资源日趋短缺，地下水地源热泵可在条件合适的工程中得到合理应用，土壤换热器地源热泵技术值得推广；混合式地源热泵是解决土壤热平衡问题、土壤换热器所需面积问题以及工程造价偏高问题的行之有效的办法，应用场合广；分区域控制的方案更能体现地源热泵的优势和特点；地源热泵的设计要提高整个系统的能效比、性能系数以及季节能效比。

地源热泵技术在供热和空调工程中的应用，以其具有显著的节能与环保效果而受到国家有关部门的重视以及有关科研和工程技术人员的青睐，国内已有越来越多的供热空调工程采用了地源热泵技术。


但地源热泵是个统称，它包括地下水地源热泵、地表水地源热泵和土壤换热器地源热泵三种基本形式和各种混合式地源热泵系统。目前国内对地源热泵及其各种形式的称呼较多，人们对地源热泵的概念可能有多种理解。各种形式的地源热泵技术各有其合适的应用范围，本文对地源热泵技术在空调工程应用中存在的一些问题进行探讨。

一、我国水资源短缺，推广地源热泵空调技术需注意对地下水资源的保护

据笔者了解，目前国内己建成的地源热泵空调工程大多为地下水地源热泵系统。由于地下水水温适中稳定，利用地下水作地源热泵机组的冷却水或热源水，可使机组的能效比和性能系数远高于空气源热泵机组和常规冷水机组，而且地下水地源热泵空调系统组成简单，工程造价相对较低，受到不少用户的欢迎和暖通技术人员的推崇。推广这项技术需严格遵守国家的有关水务政策，暖通空调工程技术人员需对我国水资源短缺的情况及其产生的危害有清楚的了解，自觉做好地下水资源的保护工作。我国有三分之二的城市和部分农业灌溉用水以地下水为主要水源。近年来我国地下水资源日趋紧张，一些地区地下水位持续下降，造成了地面沉降、产生地裂缝等危害，以前不缺水的南方一些城市和乡村现在也出现了用水紧张的状况。我国670多座城市中有400多座不同程度地缺水，其中108个城市严重缺水，部分城市不得不实行定时限量供水。水资源紧缺不仅给人民群众的日常生活带来巨大不便，而且已成为影响我国经济和社会发展的重要因素。最近几年国家有关部门相继颁布了一些保护水资源的法规，如《中华人民共和国水法》(2002年10月1日起实施)、《中华人民共和国水污染防治法实施细则》(2000年国务院令第284号)、《关于进一步加强取水许可证监督管理办法的通知》(2002年水利部水资源[2002]40号文)、《建设项目水资源论证管理办法》(2002年水利部、国家发展计划委员会第15号令)，等。有识之士呼吁还要进一步加强对水资源的保护，政协委员李国安在今年3月召开的全国政协十届二次会议上提议成立"国家地下水保护中"，蓝楠教授建议创新我国饮用水资源保护的法律制度，从严治水。可以看出，即使地下水地源热泵不浪费和污染地下水，但在今后的设计方案论证、项目实施和运行管理中将会受到越来越严格的评审和监督。节约和保护地下水资源的重要性不亚于节约能源的重要性。笔者认为，地下水地源热泵在符合条件的工程上应用是合理的，设计和使用上应尽量提高回灌量；土壤换热器地源热泵不抽取地下水，也不消耗地表水，是一种值得推广的形式，国内已有一些工程采用了这种形式的空调，运行和节能效果良好，部分大中专院校和科研
单位已开展了土壤
换热器地源热泵空调系统的实验研究，取得了一些初步的成果。对土壤换热器地源热泵空调技术，国外已有较成熟的经验和设计施工规范可供我们借鉴，目前在应用上存在的主要问题是工程造价偏高，不易被业主接受，希望国家政策能对其有所扶植、支持。


二、土壤换热器地源热泵空调系统需保持土壤热平衡

在我国大部分地区，空调冷负荷大于热负荷，在浙江一带，对于一般民用建筑，空调最大热负荷约为最大冷负荷的50％～80％，而对于土壤换热器地源热泵空调系统，向土壤的散热量为冷负荷的(1+1/EER)倍，从土壤的吸热量只有热负荷的(1—1/COP)倍，(EER、COP为热泵机组的能效比和性能系数。)并且夏季空调运行时间长，冬季运行时间短，造成土壤换热器地源热泵空调系统每年向土壤散发的热量远高于从土壤吸收的热量。以浙江宁波某办公大楼为例，该大楼建筑面积2.2万m2，最大冷负荷为2400kW，最大热负荷为1800kW，年度向土壤总散热量为4480×106kJ，从土壤总吸热量为980×106kJ，年度散热量为吸热量的4.6倍。文献[2]给出的一个国外工程的算例也是类似情况，该工程为一座建筑面积5574m2的公用建筑，空调系统最大冷负荷为290.13kw(979941BTU／h)，最大热负荷为177.77kW(606566BTU／H)，而年度散热量为1450×106kJ(1374×106BTU)，吸热量仅350×106kJ(332×106BTU)，前者为后者的4.1倍。由于散热量与吸热量相差悬殊，对于大中型工程，因地下换热器管距小，深度大，如不采取措施，将会导致土壤温度逐年上升，国外一研究小组曾对一地源热泵系统土壤温升情况进行了连续五年的观察，虽然观察到温度上升的幅度逐年减少，但温度上升后热泵机组夏季运行的能效比下降。重庆大学对一个10kW的小型土壤换热器地源热泵系统进行了三年多的测试，认为对于浅埋竖管，如果冬夏都使用空调，地温能基本恢复；而对于深埋管，则冷热负荷之差不要大于20％。这里对于多少深度范围属于深埋管没有定量的描述，该测试对象的土壤换热器埋管深度只有10m，而一般工程理管深度在45m—150m之间，冷热负荷之差往往大于20％，如果不处理土壤热平衡问题，将可能会导致夏季空调系统运行状况的恶化：(1）夏季运行能耗的增加大于冬季运行功耗的减少，全年运行总功耗增加；(2)负荷侧水(夏季为冷媒水)温度上升，末端设备制冷和除湿能力下降；(3)地源侧水(夏季为冷却水)温度上升，使机组在不利工况下运行，影响寿命，甚至超出机组的允许工作温度范围，使机组因高压或高温保护功能动作而停机，系统不能运行，国内外曾出现过这种案例。


当前，由于土地资源的紧张，写字楼之类的建筑往往设计成高层建筑，这类建筑容积率高，可用于埋设地下换热器的场地面积相对较小，而地下换热器管道的长度及管井之间的最小距离必须保证，为此只好增加埋管的深度。深度的增加一方面降低了埋管区土壤表面积与体积之比，使土壤热平衡问题更加突出，另一方面增加了工程费用。不少业主对地源热泵系统所具有的运行费用低、节约机房面积、不产生环境污染、操作方便等优点赞赏不已，但对一次性投资的增加(与常规空调相比)却不易接受。虽然地源热泵机组的寿命可达到20a以上，但投资回收期不宜超过5a。降低土壤换热器地源热泵空调工程费用并同时解决土壤热平衡问题的有效方法之一是采用混合式地源热泵空调系统。这种系统由地下埋管加上辅助冷却设备或加热设备组成，系统简单，却能显著地降低工程费用，减少地下换热器所需的面积，控制土壤的温度在设计范围内，保证空调系统的正常运行。预计混合式地源热泵空调系统发展前景良好。现举一例。某工程建筑面积2万m2，土壤换热器以高密度聚乙烯PE32为材料，采用垂直U形埋管，经计算按满足散热要求共需68m深的管井300个，管井之间的距离为4.5m，埋管区所需面积为6100m2；按该工程地质条件，地下埋管工程费用为120万元，而该工程可用于埋管的场地面积只有4600m2。若采用混合式系统，则土壤换热器可按满足吸热要求或按所允许的换热器埋管面积进行计算，现按满足吸热要求计算结果是：需68米深的管井205个，土壤换热器占地面积4200m2，小于可用面积，此时可适当增大管距。此外增设1台600kW的板式换热器、1台150m3／h的冷却塔和1台冷却水循环泵构成辅助教热装置，地下埋管与辅助教热设施的费用为90万元，比全部采用土壤换热器减少了25％。