土壤源熱泵系統的適用性分析

雷維君

1 概述

隨著我國建筑節能的推進和對可再生能源的日益重視，隨著《中華人民共和國節約能源法》和《中華人民共和國可再生能源法》的頒布和實施，在近年來我國的地源熱泵發展迅速，尤其以上海、南京、杭州等華東地區以及北京、天津、西安等西北地區尤為典型，已經成為我國建筑空調冷熱源中不可再被忽視的一種力量。

地源熱泵系統分為地下水地源熱泵系統、地表水地源熱泵系統、土壤源地源熱泵系統。地下水地源熱泵系統因其大面積使用對地下水和地下地質結構的破壞性，地表水地源熱泵系統也以具備合適的水溫水量和水質的水體為實施的先決條件以及運行費用的不節約等因素，這兩種地源熱泵系統的應用存在一些制約因素。而土壤源熱泵由于采用土壤換熱器換熱的閉式循環，雖然造價有所上升，但在土壤溫度適合的地區容易具備實施的條件，同時閉式的循環系統不會對環境和地下水造成影響。因此在近年來土壤源熱泵已經逐漸成為地源熱泵系統的主要形式。本文以土壤源熱泵系統為討論對象，分析影響其實施的主要因素。

2 土壤源熱泵技術上的適用性

其主要取決于工程所在地的土壤溫度、建筑物負荷情況、地質情況以及是否具備充足的地埋管換熱器施工場所。適中的冬夏都可利用的土壤溫度、較穩定的冷暖負荷、較少風化巖石和富含流動性好地下水的地質情況是采用土壤源熱泵的理想條件。難以獲得足夠的土壤換熱器施工面積是土壤源熱泵主要的限制因素。

2.1 土壤溫度

合適的土壤溫度是土壤源熱泵實施的基礎條件。13℃～19℃的土壤溫度比較適宜。過高的土壤溫度用于持久制冷的潛力較小，因為其土壤溫度在地源熱泵持續一段時間達到穩定后土壤換熱器周圍的土壤溫度已經高于常規冷卻塔系統，這樣換熱器內循環流體能獲得的溫度差急劇間距減小，導致熱泵機組效率下降。過低的土壤溫度雖有利于制冷，但不利制熱，在寒冷地區的土壤源熱泵必須在換熱器內循環水中添加防凍劑，且熱泵機組效率下降，換熱器埋管數量增多，占地面積增大，投資增加。

2.2 建筑物負荷

1)適宜采用土壤源熱泵技術的是處于夏熱冬冷地區以及寒冷地區的部分建筑。這些地區的土壤溫度適中，大致在13℃～19℃之間且全年基本穩定，冬夏季節都可采用土壤源熱泵作為空調系統冷熱源。夏熱冬暖地區由于沒有供暖需求不能體現熱泵機組冬夏兩用的經濟性，嚴寒地區地源熱泵又不能很好的滿足高溫高負荷的要求，同時夏熱冬暖地區及寒冷地區全年從地下的取放熱量相差懸殊，長期運行容易形成土壤溫度失衡。我國的土壤熱泵的適用地區非常廣泛，包括上海、江浙、江西、湖南、湖北、四川、河南南半部、陜西等。2)土壤源熱泵較適合的建筑物類型是負荷波動小，使用穩定的中等規模住宅、酒店、辦公樓、別墅等，不適宜用于負荷使用隨機性高或負荷較大的會堂、劇院等。3)土壤源熱泵系統較適用于全年有生活熱水要求的酒店、游泳池等，可將夏季空調需排至地下的熱量回收利用于衛生熱水。環保、節能且利于全年從地下的取放熱量平衡。4)土壤源熱泵系統的規模不宜過大或過小，每個系統在3 000 m2～50 000 m2比較適宜。系統過大因地埋管換熱器水系統距離過遠，輸送能耗增大，水力難以平衡;過小則相對初投資過高，系統利用率較低。5)土壤源熱泵系統不適用于高能耗建筑。因為土壤源熱泵系統比常規系統初投資大大增加，每平方米的造價大約增加50元～100元不等，因此對于有潔凈要求、高除濕要求或較低空調設定溫度的高負荷建筑，采用土壤源熱泵是不經濟的。

2.3 地質情況

土壤換熱器的性能在不同地質條件下差別較大。理想的地質條件是較高的導熱系數、熱容量高、較高的土壤含水率及遷移速度。一般各類巖石的導熱系數最大，砂土次之，黏土最小，但是由于巖石孔隙率低導致含水量低，因此巖石用于土壤換熱器的持久性最差，黏土次之，砂土最好。

2.4 施工場地

土壤換熱器施工面積是土壤源熱泵主要的限制因素，在土壤源熱泵系統基本條件具備后，需要確定埋管形式是垂直埋管還是水平埋管。當可利用地表面積較大，淺層巖土體的溫度及熱物性受氣候、埋設深度影響較小時，宜采用水平地埋管換熱器。否則，宜采用垂直地埋管換熱器。垂直地埋管換熱器埋管面積需按最大釋熱量或最大放熱量及管與管之間最小間距確定。在沒有合適的室外用地時，豎直地埋管換熱器還可以利用建筑物的混凝土基樁埋設，即將U形管捆扎在基樁的鋼筋網架上，使U形管固定在基樁內，但此方式受施工工期限制。

［1］徐 偉.可再生能源建筑應用技術指南［M］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［2］美國制冷空調工程師協會.地源熱泵工程技術指南［M］.徐偉，譯.北京:中國建筑工業出版社，2001.

［3］法智彤，褚曉麗.淺談土壤源熱泵系統的發展及其應用［J］.山西建筑，2010，36(8):195-196.