【學(xué)員問題】地源熱泵系統(tǒng)形式及其優(yōu)缺點(diǎn)？
【解答】地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國還屬初級階段，需要因地制宜、統(tǒng)籌規(guī)劃、使用能量特點(diǎn)和水文地質(zhì)條件相結(jié)合，逐步合理的推進(jìn)地源熱泵空調(diào)技術(shù)，這樣才能有利于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，在環(huán)保的前提下，提高能源利用效率。以下就為您詳細(xì)分析地源熱泵的系統(tǒng)形式及其優(yōu)缺點(diǎn)。
形式：
1、水平式地源熱泵
通過水平埋置于地表面2～4以下的閉合換熱系統(tǒng)，它與土壤進(jìn)行冷熱交換。此種系統(tǒng)適合于制冷供暖面積較小的建筑物，如別墅和小型單體樓。該系統(tǒng)初投資和施工難度相對較小，但占地面積較大。
2、垂直式地源熱泵
通過垂直鉆孔將閉合換熱系統(tǒng)埋置在50M～400M深的巖土體與土壤進(jìn)行冷熱交換。此種系統(tǒng)適合于制冷供暖面積較大的建筑物，周圍有一定的空地，如別墅和寫字樓等。該系統(tǒng)初投資較高，施工難度相對較大，但占地面積較小。
3、地表水式地源熱泵
地源熱泵機(jī)組通過布置在水底的閉合換熱系統(tǒng)與江河、湖泊、海水等進(jìn)行冷熱交換。此種系統(tǒng)適合于中小制冷供暖面積，臨近水邊的建筑物。它利用池水或湖水下穩(wěn)定的溫度和顯著的散熱性，不需鉆井挖溝，初投資最小。但需要建筑物周圍有較深、較大的河流或水域。
4、地下水式地源熱泵
地源熱泵機(jī)組通過機(jī)組內(nèi)閉式循環(huán)系統(tǒng)經(jīng)過與由水泵抽取的深層地下水進(jìn)行冷熱交換。地下水排回或通過加壓式泵注入地下水層中。此系統(tǒng)適合建筑面積大，周圍空地面積有限的大型單體建筑和小型建筑群落。
近幾年來，地能開發(fā)取得突破性進(jìn)展。地球表面水源和土壤是一個巨大的集熱器，收集來自太陽48%的能量，比人類每年利用能量的500倍還多。按換熱載體分區(qū)，地源熱泵空調(diào)主要有四種形式：一是地埋管地源熱泵；二是地下水地源熱泵；三是地表水地源熱泵（包括海水源，江湖河溪水或地表潛水）；四是混合式地源熱泵。
地表向下30～130米左右，一年四季的溫度是相對恒定的，一般在15～20℃左右。地源熱泵正是利用地能這一特性，通過消耗少量的電能，實(shí)現(xiàn)由低溫位向高溫位或由高溫位向低溫位的轉(zhuǎn)換，從而充分地利用地能。在冬天把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱或加溫的地方，在夏天可以將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中，達(dá)到降溫或制冷的目的。
優(yōu)缺點(diǎn)：
一、地源熱泵空調(diào)的優(yōu)點(diǎn)
從理論和能耗的角度上分析，地源熱泵空調(diào)技術(shù)利用儲存于地表淺層或地下的取之不盡的能源，成為可再生能源的一種形式。地源熱泵空調(diào)之所以節(jié)能，是因?yàn)槠鋵⑼寥馈⒌乇硭虻叵滤鳛槟茉�，在同等工況下，只需消耗約50%的能源，就可提供同等能量，比溴化鋰技術(shù)節(jié)能最高可達(dá)65%；比蒸汽壓縮式節(jié)能最高達(dá)40%；供熱工程相當(dāng)于燃煤鍋爐的2/3.在系統(tǒng)運(yùn)行時，由于不使用氟利昂、天然氣、汽油等冷媒和燃料，可以大大減少對臭氧層的破壞作用，減少CO，的排放。
二、地源熱泵空調(diào)使用可能帶來的問題
地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要包括兩大部分：一是建筑物內(nèi)的水環(huán)路空調(diào)系統(tǒng)；二是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的地下部分，即地下耦合熱泵系統(tǒng)的地下熱交換器、地表水熱泵系統(tǒng)的地表水熱交換器、地下水熱泵系統(tǒng)的水井系統(tǒng)。
（1）地表水熱泵系統(tǒng)：地表水溫度受氣候的影響較大，與空氣源熱泵類似，在利用深層河水、湖水、海水進(jìn)行吸熱與放熱的地表水水源熱泵系統(tǒng)時，首先必須強(qiáng)調(diào)的是水體要有一定深度，沒有5m深度的河流、湖泊、海域就不必考慮，一般來說，只有10m以下深度才有利用價值。對于屬于地源熱泵的水源熱泵機(jī)組，如果是流動的江、河、溪水，水溫合適的情況下，才可以使用。
例如，武漢東湖等淺水性湖泊夏季水溫高于濕球溫度，無利用價值，冬季水溫略高于氣溫，可用作熱源水；寧波奉化江水7m深31.2℃，珠江底層31.8℃，江水熱污染很厲害，利用價值不大�？衫瞄L江水作為地表水熱泵系統(tǒng)的熱源，但冬季江水水位很低，從取水的經(jīng)濟(jì)性及防洪角度考慮，實(shí)際利用還是極難的。
一定的地表水體能夠承擔(dān)的冷熱負(fù)荷與其面積、深度和溫度等多種因數(shù)有關(guān)，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行計(jì)算。這種熱泵的換熱對水體中生態(tài)環(huán)境有無影響應(yīng)預(yù)先加以考慮。深水湖在夏季會產(chǎn)生溫度的分層，湖底保持較低的溫度；冬季湖面結(jié)冰后會限制湖水溫度的下降。從目前的實(shí)際工程情況來看，自然形成的淺水性湖泊受外界氣候或熱污染影響較大，因?yàn)槭遣涣鲃拥暮蔷鸵聪蚝信欧诺臒崃磕懿荒芙?jīng)過湖水的自穩(wěn)定性恢復(fù)，如果不能恢復(fù)，就不能使用，否則改變湖水溫度，危及湖中生物；即使海邊的建筑可以考慮海水源熱泵，但一定要注意對洋流的影響，注意是否影響海洋生物的生存。
工程所在地與設(shè)置地下水換熱器現(xiàn)場的距離超過500m的工程，必須認(rèn)真進(jìn)行全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析。如果忽略其應(yīng)用條件是否具備，在推廣地表水水源熱泵系統(tǒng)的同時，最后可能導(dǎo)致河水、湖水、海水的水泵輸配能耗抵消在水源熱泵上所獲得的節(jié)能效益。
為經(jīng)濟(jì)可行地利用江、河、海水冷熱源，只能對江、河、海水作粗效預(yù)處理，以解決大量泥沙和懸浮物對流通面的阻塞問題，但水中依然含有小粒徑的固體物，將影響換熱器的流動換熱特性，這樣也增加了運(yùn)行、保修的費(fèi)用。
（2）地下水地源熱泵（地表潛水）和地下水地源熱泵這兩種方式，是將含有地溫的水從井中抽取出來，取出熱后，再回灌到其它井中；或不抽取地下水，只采用地埋管的形式。國內(nèi)很多大專院校進(jìn)行了相關(guān)的埋地管的試驗(yàn)研究和小型的工程應(yīng)用，并建立了地埋管的傳熱模型。各地的地質(zhì)條件不同，土壤的溫度和熱物性參數(shù)都不一樣，因此，地下水熱泵的應(yīng)用還有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累。此外，這一淺層地能的采集技術(shù)涉及到開采利用地下水或地表水，有三個缺點(diǎn)：
1）在抽水并回灌于其它井的同時，會造成井中砂的移動，當(dāng)大量的井砂移出后，往往會造成抽水井的塌陷，同時也造成了回水井的堵塞，縮短了井的壽命；
2）在多數(shù)地質(zhì)條件下，很多工程實(shí)際上并未達(dá)到100%回灌�；毓嗑c生產(chǎn)井的數(shù)量配置和是否需要冬夏對調(diào)輪換，單井回灌是否合理有效，是否會破壞地下含水層等。井水的回灌往往不暢，易造成地下水資源的浪費(fèi)，雖然抽水后有回灌井將抽出的水回灌，但這并不是一個完全可逆的過程，回灌后土壤中的水質(zhì)和水量并不能與抽水前完全一致，大量地下水的抽取和回灌必然造成地下水位的不平衡，影響當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)構(gòu)造，有可能危害地上的建筑物。
3）地源熱泵機(jī)組要求全年冷負(fù)荷和熱負(fù)荷要基本均衡，這樣才不至于發(fā)生地下熱環(huán)境惡化，機(jī)組能效比降低甚至無法正常使用。在30～300m深的地下，只要其全年的總?cè)崃颗c總排熱量相等，就能持久地維持恒溫帶的狀態(tài)；如果把恒溫帶地層看作為“取之不盡，可不斷再生的低溫地?zé)豳Y源”，可由深層的地?zé)豳Y源或地表太陽能來補(bǔ)充，那就會犯原理性錯誤。
實(shí)際上地下土壤、卵石與巖石的傳熱，地下含水層的熱遷移都是十分緩慢的，如果我們不遵守年熱平衡原則，倘若真的每年夏季累計(jì)向地下排放的熱量大于冬季累計(jì)吸取的熱量，即使該地區(qū)地下恒溫帶每年只升高0.5℃，10年后該地源熱泵系統(tǒng)就不能有效正常工作了。且口使使用地埋管地源熱泵，屬于閉式系統(tǒng)，但垂直埋管系統(tǒng)占地面積小，水系統(tǒng)耗電少，但鉆井費(fèi)用高；水平埋管安裝費(fèi)用低，但占地面積大，水系統(tǒng)耗電大。雖然沒有抽取地表水、地下水，但它改變了地內(nèi)溫度，影響地質(zhì)，甚至植物的生長。
目前在我國，技術(shù)上相對成熟、利用可行性較大、實(shí)施的工程項(xiàng)目較多的是地下水熱泵系統(tǒng)。為迎合地源熱泵空調(diào)這門新技術(shù)，片面追求其節(jié)能效果，目前國內(nèi)生產(chǎn)水源熱泵機(jī)組的廠家也已達(dá)到二、三十家。因?yàn)閲鴥?nèi)還沒有頒布水源熱泵機(jī)組的生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量差別較大，有些廠家的產(chǎn)品，技術(shù)參數(shù)不完整、不準(zhǔn)確0很多生產(chǎn)廠家沒有實(shí)測手段，采用水源熱泵機(jī)組所需要的很多數(shù)據(jù)不能提供，甚至不排除某些技術(shù)力量差的廠家根本就沒有弄清楚水源熱泵機(jī)組和常規(guī)冷水機(jī)組的技術(shù)差異，直接就拿常規(guī)冷水機(jī)組來作為水源熱泵機(jī)組推銷到市場使用。這樣，既沒發(fā)揮水源熱泵機(jī)組的節(jié)能優(yōu)勢，又破壞了環(huán)境。
（3）有的地源熱泵空調(diào)工程在完工使用的初期進(jìn)行地質(zhì)勘測，得出結(jié)論表明地源熱泵空調(diào)對地質(zhì)沒影響，但這樣的結(jié)論下得似乎過早。不設(shè)監(jiān)測井，不對地下水的生產(chǎn)量、回灌量、水溫、水質(zhì)、含水層厚度變化進(jìn)行定期、持久的監(jiān)測。打井公司只要能抽出設(shè)計(jì)所規(guī)定的水溫、水量的地下水后就算完成任務(wù)。對于地下水熱泵系統(tǒng)，能提供完整水文地質(zhì)資料的極少，絕大部分工程投入運(yùn)行后，根本沒有對地下水的基本參數(shù)進(jìn)行定期監(jiān)測，更談不上提供地下水遷移數(shù)據(jù)。
水文地質(zhì)分析和計(jì)算結(jié)果可以看出，只取水不進(jìn)行有效回灌或回灌不慎造成地下水污染的都是極不負(fù)責(zé)任的行為，并且這種不負(fù)責(zé)任的行為造成的損失是無法挽回的，例如，唐沽地下水過量開采，導(dǎo)致海水滲透進(jìn)去，對生態(tài)造成嚴(yán)重破壞；華北地區(qū)形成4萬平方公里的華北大漏斗；西安由于地下水過量開采，導(dǎo)致大雁塔傾斜近1m，并且形成十三條縱、橫向裂縫，長達(dá)50公里，鐘樓下陷135rot/1.
我們不能忽視或有意淡化、掩蓋地源熱泵系統(tǒng)對城市地下水資源造成污染的可能，對周圍建筑與整個城市地層結(jié)構(gòu)起破壞作用的可能，以及工程有可能失敗的風(fēng)險性。在行政管理上，打井抽取地下水，地礦、國土資源、城市環(huán)保、自來水公司等部門似乎都有權(quán)管轄，全國至今都沒有一個統(tǒng)一的管理?xiàng)l例與組織來管理地下水的使用。少量的地源熱泵空調(diào)在不長的運(yùn)行時期內(nèi)，可能對地質(zhì)影響不大，但如大量的地源熱泵空調(diào)長期的使用，則后果不難想象，也許人類在竭力減少對地球表面上的破壞的同時，已通過地源熱泵空調(diào)對地下進(jìn)行破壞，而這種破壞一旦造成，可能更難修復(fù)。
（4）從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的角度看，建設(shè)地源熱泵系統(tǒng)，其地下部分無論是埋管、打井，還是設(shè)置湖泊、河流、海洋的水下?lián)Q熱器或取水裝置，由于牽扯到為蓄能井選址必須進(jìn)行土質(zhì)和地下水勘探等一些專業(yè)性很強(qiáng)的作業(yè)，需要有一定的水文地質(zhì)與海洋專業(yè)知識，這對于空調(diào)專業(yè)的技術(shù)人員來說，并不擅長；其地上部分，無論是建筑物的全年冷、熱負(fù)荷計(jì)算與全年分布規(guī)律，還是室內(nèi)外的水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也絕非是水文地質(zhì)、地礦勘探、海洋海港技術(shù)人員的專長。
為了使地源熱泵系統(tǒng)健康發(fā)展，加強(qiáng)空調(diào)行業(yè)和水文地質(zhì)、地礦勘探、海洋海港行業(yè)之間的溝通和合作極為重要。另一方面，為蓄能井選址進(jìn)行的土質(zhì)和地下水勘探等一些專業(yè)性很強(qiáng)的作業(yè)和大量的地下施工等，使投資規(guī)模加大，這就導(dǎo)致系統(tǒng)的造價和安裝費(fèi)用高，成本回收周期長，也成為地源熱泵空調(diào)技術(shù)應(yīng)用上的最大的障礙。
結(jié)語：類似“地源水經(jīng)過熱泵機(jī)組后，只是交換熱量，水質(zhì)幾乎沒有發(fā)生變化，經(jīng)回灌至地層或重新排入地表水體后，不會造成對原有水源的污染”之類的說法應(yīng)謹(jǐn)慎。如在，廣州、深圳等地的氣候條件是夏季供冷時間很長，且冷負(fù)荷比較大，而冬季供熱需求量很少，冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于熱負(fù)荷，冷熱負(fù)荷很不均衡，如果沒有足夠的供熱需要，來抵消夏季的冷負(fù)荷，達(dá)到冷熱平衡，是不主張使用地源熱泵機(jī)組做冷熱源的。
以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實(shí)際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請及時溝通、指正。 (責(zé)任編輯：建筑小白) |
