地埋管地源熱泵清潔技術的工程應用

孫宏偉

（江蘇河海新能源有限公司，常州 213100）

地埋管地源熱泵技術是一種清潔能源利用技術，地埋管地源熱泵空調系統是以大地為冷熱源，通過中間介質作為熱載體在埋設于大地巖土中的封閉環路中循環流動，從而實現與大地進行冷熱量交換，夏季通過熱泵機組將建筑物內的熱量釋放到土壤中以備冬用，冬季再利用熱泵技術把儲存在土壤中的熱量取出來對室內進行供暖，實現夏季制冷和冬季制熱的目的，解決建筑物供能系統所需的冷熱源問題，具有節能環保的顯著優勢[1,2]。

1. 淺表地熱能

1.1 淺表地熱能的概念

淺表地熱能是指地表以下一定深度范圍內，溫度低于25℃，在當前技術經濟條件下具備開發利用價值的地球內部的熱能資源。其能量主要來源于太陽輻射與地球梯度增溫，通過熱泵技術進行采集利用后，可以為建筑物供能。

1.2 淺表地熱能利用方式

淺表地熱能按冷熱源的條件不同主要分為地埋管地源熱泵、地表水地源熱泵和地下水地源熱泵等。

地埋管地源熱泵主要以巖土為冷熱源，利用循環水與地下土壤進行冷、熱交換；地表水地源熱泵以江河湖海水為冷熱源，對地表水中的泥沙、懸浮物等進行前置水處理，保證進熱泵主機的水質符合要求；地下水地源熱泵技術是指抽取與地層相同溫度的地下水，并通過機組與抽取的地下水進行換熱，根據系統負荷及需水量的大小，地層的出水能力和回灌能力來設計抽水井和回灌井的數量[3]。

2. 地埋管地源熱泵技術在國內外發展情況

2.1 國內發展情況

我國地埋管地源熱泵技術工程應用起步相對較晚。隨著經濟的快速發展和科研水平的不斷提高，地源熱泵技術得到飛速發展，工程應用實例越來越多，地埋管地源熱泵技術的發展應用潛力很大。2006年1月，國家建設部頒布了《地源熱泵系統工程技術規范國家標準》，為規范地埋管地源熱泵技術工程的應用提供了規范保障。

國內學者對地埋管地源熱泵技術的研究主要集中在以下方面：地埋管換熱器的傳熱理論、地埋管換熱器的傳熱模擬、地埋管換熱器選型、間歇運行時對地埋管換熱器的性能分析等方面。

地埋管地源熱泵技術的研究仍然主要局限在對實驗模型模擬計算階段，而對系統在實際運行過程中的性能變化、土壤溫度變化等基礎性研究不足。近年來，地熱換熱器模擬軟件“地熱之星”的問世提供很好的應用平臺。

2.2 國外發展情況

圖1 海淀區外語電子職業高中北校區和北京市回龍觀醫院

圖2 地埋管地源熱泵系統原理示意圖

圖3 豎直和水平地埋管地源熱泵系統示意圖

20世紀初期，地下巖土中淺表地熱能與熱泵技術結合應用的觀點首次被提出。自20世紀70年代，兩次石油危機直接導致能源價格走高，同時環境問題也不斷困擾人類社會的發展，人們逐漸認識到開發可持續新能源重要意義。

美國針對土壤源熱泵系統的實驗平臺，開展了大規模的基礎性實驗研究。歐洲各國荷蘭、瑞典等國由政府出資建立的地埋管地源熱泵工程數量不斷增多，工程技術不斷成熟。

3. 地埋管地源熱泵技術原理

地埋管地源熱泵系統是把熱交換器埋于地下，通過水在由高強度塑料管組成的封閉環路中循環流動，從而實現與大地土壤進行冷熱交換的目的。

地埋管地源熱泵系統夏季通過機組將房間內的熱量轉移到地下，對房間進行降溫。同時儲存熱量，以備冬用；冬季通過熱泵將土壤中的熱量轉移到房間，對房間進行供暖，同時儲存冷量，以備夏用，大地土壤提供了一個很好的免費能量存貯源泉，這樣就實現了能量的季節轉換。

地埋管地源熱泵系統按地埋管換熱器的布置方式不同，可分為豎直和水平地埋管地源熱泵系統。

4. 地熱換熱器設計

地下埋管式換熱器是地源熱泵系統設計的重點。地熱換熱器設計是否合理決定著地源熱泵系統的經濟性和運行的可靠性，地下傳熱的復雜性，地熱換熱器傳熱模型的研究一直是地源熱泵空調系統的技術難點和應用基礎[4,5]。

地下埋管式換熱器設計應根據本地區的土壤特性、氣候、地質分布等特點，結合該項目的具體情況和我們以往的實際工程經驗進行設計。

確定建筑物輸入地下巖土的冷熱負荷，如果全年向土壤釋放的熱量遠大于從土壤吸收的熱量，地源熱泵裝機負荷主要滿足以冬季熱負荷配置，夏季不足部分用冷水機組和冷卻塔系統輔助散熱。

確定豎井埋管管長，地埋管換熱器應根據可使用地面面積、工程勘察結果及挖掘成本等因素，綜合考慮到可利用的埋管面積有限及換熱效能，設計中采用了豎直埋管換熱器。每個鉆孔中設置一組或兩組U型管（即單U管和雙U管），各U型管之間更多采用同程并聯連接。

根據U型管巖土層每米孔深換熱量，確定管井的數量，確定地埋管換熱器所需占地面積。

5. 地埋管地源熱泵技術優點

1）可再生能源

地表土壤和水體不僅是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽輻射能量，地下的水體是通過土壤間接的接受太陽輻射能量，是一個巨大的動態能量平衡系統，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發散的相對的均衡。地埋管地源熱泵利用儲存于其中的近乎無限的太陽能或地能成為可能。

2）高效節能，經濟效益顯著

地源熱泵機組可利用的土壤溫度冬季為15℃～18℃，土壤溫度比環境空氣溫度高，所以熱泵循環的蒸發溫度提高，能效比也提高。而夏季土壤為17℃～20℃，土壤溫度比環境空氣溫度低，制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風冷式和冷卻塔式換熱效果，機組效率提高。據工程經驗估計，設計安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節約用戶30～40%的供熱制冷空調的運行費用。

3）運行穩定可靠

地下巖土的溫度一年四季相對穩定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動，是熱泵機組很好的冷熱源，土壤溫度較恒定的特性，使得熱機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。不存在空氣源熱泵和冬季除霜等難點問題，克服了常規空調因外界氣溫的變化引起的多耗電，效果差等弊端。

4）環境效益顯著

地埋管地源熱泵的使用少量電能換取更多的冷熱量，減少消耗一次能源并導致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。節能的設備本身的污染就小，設計良好的地源熱泵機組折電力消耗，與空氣源熱泵相比相當于減少30%以上。

5）一機多用，應用范圍廣

地埋管地源熱泵系統可為建筑物供冷、供熱、供生活熱水，一機多用。一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置或系統。特別是對于同時有供熱和供冷要求的建筑物，地源熱泵有著明顯的優點，不僅節省了大量能源，還減少了供冷供熱設備的初投資。

6. 結論

地埋管地源熱泵技術是一種可再生能源技術，為區域建筑供冷、供熱、供生活熱水。根據不同地區、不同地質條件、不同能源結構及價格，選擇合適的地埋管地源熱泵系統形式，優化地埋管換熱器設計，以期取得良好的節能和環保效益。

我國具有應用地源熱泵技術的廣闊市場與條件，地埋管地源熱泵技術的應用前景十分廣闊。

[1]袁旭東，王彬，吳伯謙.混合式土壤源熱泵應用分析.制冷與空調，2006(1)：40—43.

[2]張昆峰，馬芳梅，金六一.土壤源熱泵與熱泵聯結運行冬季工況的實驗研究.華中理工大學學報，1996，24(1)：23—26.

[3]王琰.南京某辦公綜合樓地源熱泵+蓄能空調系統的設計研究.建筑科學，2010，26(10)： 06—13 .

[4]王勇.地源熱泵的技術經濟分析[J].建筑熱能通風空調，2001，(5)：12—13.

[5]林愛輝.地源熱泵系統及能效分析。湘潭師范學院學報(自然科學版)，2004年12月.