关于发展地源热泵系统的若干思考

0　引言
在各级政府鼓励与推动下,运用市场机制,我国的地源热泵系统的工程应用得到迅速发展并取得可喜成绩。根据文献[1]的调查统计,近10年来我国除港、澳、台地区外的31个省、自治区已建成了2537项地源热泵系统工程。这和全国同时起步的蓄冷空调工程的建设相比,无疑是快了很多,也是值得业界人士高兴的大事。作为行业的一个成员,10多年来笔者一直关注地源热泵系统的建设与发展,为了使我国的地源热泵系统的应用与建设能更健康和更稳步地发展,笔者就所观察与感觉到的若干问题提出来与同行们一起讨论。
1　地热利用与地源热泵系统
众所周知,地球热量来自两部分:太阳发射到地球表面的能量和地球内部放射性元素衰变释放的能量。因前者的能量是后者的5000倍,故太阳能是驱动地球大气圈与水圈运动的原动力,是控制地球气候的主要因素。
地球虽是一个已被冷却和固态化了的星球,但其内部结构可划为地表、地壳、地幔、熔融的外核与固体内核。地表2 885 km以下至地心部分(即熔融的外核与固体内核)俗称地核,其温度大约在4 000~5 000℃之间(一些地学家们的实验数据表明,地心温度可能高达6 000~8 000℃)。地壳的岩石既有效地防止了地球内部的热量向太空散失,又很好地保护了地球生物免遭地下高温烫伤。但即使有了这样好的地壳绝热保护,地球也会像人体散热一样无时无刻不在散发着热量,每年仍有44TW热能从地球表面流出,相当于全球电能消耗的4.4倍[2]。
地热能一部分通过板块运动(plate motion)与火山活动(volcanism)在地球表面附近以高温形式表现出来,另一部分在有水存在的地质结构条件下,通过导热与对流方式,从地壳的较深部位传递到地球表面,在特定的地质条件下通常还以温泉形式喷出地表。就目前的科学技术水平而论,前一部分的板块运动与火山活动的地热能,仍旧是人类不能控制与不可利用的,但是后一部分的以水(或蒸汽)为载体的地热能是可控与可利用的。目前所谓“地热利用”就是专指利用这一部分的地热能。
按类型来划分,地热资源可分为以下五类[3]:
1)熔融点资源(igneous point sources);
2)在高热流地区中深处的对流循环(deepconvective circulation in areas of high regionalheat flow);
3)地压力资源(geopressured resources);
4)集中的放射性热源( concentratedradiogenic heat sources);
5)在具有接近正常温度梯度地区的深层含水层(deep regional aquifers in areas of near-normalgradient)。
现阶段人类利用地热资源,主要是利用上述的最后一种地热资源。
按地热的温度来划分,一般把上述所利用的地热资源分为三个温度等级:
高温　　　 t>150℃
中温 90℃
低温 t<90℃
t>150℃的地热资源主要用于发电,但全球分布量很小,蕴藏量很稀少,我国也只是在西藏与云南两地才有这种地热资源。就HVAC的应用领域而论,主要是利用中温与低温的地热能资源。按经济适用原则来细分,不同温度等级的地热资源,一般可以作以下不同的工程应用:
t>110℃ 区域供热,供冷
90℃60℃40℃t<40℃ 地热尾水热泵供暖
上述工程应用涵盖了HVAC领域地热利用的全部范围。现在需要讨论的问题是地源热泵系统是否也是一种“地热利用”系统?笔者认为地源热泵系统并不是一种“地热利用”系统,它只不过是将地下含水层、土壤、岩石、卵石及深层地表水作为热泵吸热的“源(source)”和排热的“汇(sink)”的“蓄热体”。
实测表明,地球表面下30 m以上的土壤层温度受太阳照射与气温影响呈一年四季周期性变化,地球表面300 m以下的温度只受来自于地核的导热与对流的影响,平均地温梯度约为25~30℃/km。但地下30~300 m间的地层是一个恒温带,其温度是地球表面的太阳照射与气温影响和地核的导热与对流影响的综合平衡点。在我国的华北地区平衡点温度在14~18℃范围内,在中南地区平衡点温度在20~22℃范围内。此平衡温度与当地的全年平均气温有非常好的相关性,但完全不受当地一年四季气温变化的影响。有的设计者在应用与设计地源热泵系统时常常忽视了一条必须遵守的原则,即夏季向地源累计放热量应等于冬季向地源累计吸取的热量,以保持该地区地下恒温带的全年温度变化的平衡。
如果我们真的能把此恒温带看作取之不尽、可不断再生的低温地热资源,那么我们的地源热泵系统就可以每年只从地下取热供暖,无须每年夏季供冷排热了。如果我们真的这样做,五六年后该地层温度就会有明显下降,该地源热泵系统中水源热泵机组的制热效率也会随之下降,10年后就会迫使热泵机组停止使用。
在30~300 m深的地下,地源热泵系统都是以天、周、年的时间尺度周期地取热与排热,只要其全年的总取热量与总排热量相等,就能持久地维持恒温带的状态;如果把恒温带地层看作为“取之不尽,可不断再生的低温地热资源”,可由深层的地热资源或地表太阳能来补充,那就会犯原理性错误。由于地壳的导热系数很小,热容量极大,若要让地表太阳照射的热能或地幔的热能传递到此恒温带,其恢复温度的时间尺度将是几十年,乃至上百年。因此,单纯地、连续地从此恒温带取热而不考虑及时地热量平衡,此恒温带的温度必然会逐年下降,使地源热泵系统的工况逐年恶化,效率逐年下降,5~10年后就会失效与报废。
实际上地下土壤、卵石与岩石的传热,地下含水层的热迁移都是十分缓慢的。如果我们不遵守年热平衡原则,倘若真的每年夏季累计向地下排放的热量大于冬季累计吸取的热量,即使该地区地下恒温带每年只升高0.5℃,10年后该地源热泵系统就不能有效正常工作了。
因此,笔者认为我们不应该把地下30~300 m深这一恒温带地层看作“取之不尽,可不断再生的低温地热资源”,而只能看作“蓄热层”。
在我国近10年来的地源热泵系统的实践中,普遍存在以下缺陷与不足:
1)设计地埋管地源热泵系统时,单纯为确定埋管长度而只计算冬季设计日最大热负荷和夏季设计日最大冷负荷。已公布的工程设计与实测数据中,笔者尚未看到有夏季累计供冷负荷或累计向地下排热量的资料,以及冬季累计供热负荷或累计从地下取热量的资料。
2)所研发、引进或使用的地埋管计算程序绝大部分只是计算单井(孔)埋深的计算程序,计算多井(孔)并联运行的程序较少,更谈不上用于分析埋管地下全年温度场的动态变化。
3)对于地下水热泵系统,能提供完整水文地质资料的极少,绝大部分工程在建设时不设专用监测井,在工程投入运行后也根本没有对地下水的水量、水温、水质进行定期的监测,更谈不上提供地下水迁移数据。
上述问题导致在社会上,乃至在学术界不少人把地源热泵系统理解为是对浅层地热资源的利用,更不要说在我国的地源热泵系统市场出现的五花八门、令人啼笑皆非的商品名与公司名。
为了在我国更科学、更合理、更持久、更因地制宜地推广地源热泵系统技术,减少对用户与业主的误导,笔者建议首先应在学术界和行业内对地源热泵系统的应用原理正名,不要再认为地源热泵系统是对浅层地热资源的利用,而是应该把地下恒温带当作“蓄热体”来使用。