土壤源熱泵系統應用研究

楊 勇 龐瑞雪 畢洪泉

（北京嘉華新源科技有限公司）

土壤源熱泵系統應用研究

楊 勇 龐瑞雪 畢洪泉

（北京嘉華新源科技有限公司）

地源熱泵，土壤源熱泵

土壤源熱泵作為地源熱泵的一類，克服了地表水、地下水地源熱泵的一些缺點，在應用中具有其獨特的優勢，是一種高效、節能、環保，有利于可持續發展的空調方式。土壤源熱泵技術為解決能源危機與環境污染提供有效途徑，為綠色能源發展奠定基礎，在我國應用前景廣泛，受到國家建設部大力推薦。但是任何事情都是利弊共存，只有更好的認識地源熱泵，才能取長補短，為我們所用。

一、土壤源系統概述

土壤源熱泵系通過輸入少量的高品位能源（電能），即可實現能量從低溫熱源向高溫熱源的轉移，是一種非常節能的采暖、制冷方式，與地下水隔離，有效防止污染。地能在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調的冷源，即在冬季，把地能中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內采暖；夏季，把室內的熱量排出來，釋放到地下去。

二、常見地源熱泵應用條件

1、地表水地源熱泵系統應用條件

1) 建筑項目附近有豐富的地表水（例如：江水、河水、湖水、海水、水庫水、污水、中水、地熱尾水、工業廢水等等）。

2) 水量充足，水溫適度，水質經簡單處理能達到使用要求。

2、地下水地源熱泵系統應用條件

1) 建筑項目附近地下水資源豐富，并便于實施供回水工程。

2) 地方政策允許利用地下水。

3) 地下水溫適度，水質適宜，供水穩定，回灌順暢。

3、土壤源熱泵系統（地埋管）應用條件

1) 建筑物附近缺乏水資源或因各種因素限制，無法利用水資源。

2) 建筑物附近有足夠場地敷設“地埋管”。（例如：辦公樓前后場地、別墅花園、學校運動場等等）。

三、土壤源熱泵系統設計基本概要

1、系統冬季從地下提熱量=末端空調熱負荷－冬季機組輸入功率。

2、系統夏季向地下排熱量=末端空調冷負荷＋夏季機組輸入功率。

3、按冬季從地下提熱量計算地源井米數為：地源井米數=系統冬季從地下提熱量/單位井深提熱量。

4、按夏季向地下排熱量計算地源井米數為：地源井米數=系統夏季向地下排熱量/單位井深排熱量。

5、影響單位井深換熱量的首要因素是土壤溫度，其次為土壤導熱系數等，具體準確數值需通過項目所在地的土壤熱物性測試得到。

6、打井數目=地源井米數/地源孔深。

7、PE管路承受的最大壓力=地埋管系統定壓+水泵揚程；一般來說，PE管路公稱壓力不低于1.0MPa即可。

8、地埋管各豎井流量平衡，DE50以下PE管流速宜0.6～1.2 m/s，比摩阻宜100～300pa/m；冬季系統運行時，地下管路盡量不加防凍液。 夏季運行期間，地埋管換熱器出口溫度宜低于33℃； 冬季運行期間，地埋管換熱器進口溫度宜高于4℃。 地源熱泵系統總放熱量宜與其總吸熱量相平衡。

9、豎直地埋管換熱器鉆孔間距應滿足換熱需要，間距宜為3～6m。水平連接管的深度應在凍土層以下0.6m，且距地面不宜小于1.5m。 每對供、回水環路集管連接的地埋管環路數宜相等。

四、地埋管系統常見問題

1、地埋管系統冬季提熱量與夏季散熱量不平衡。

2、單位井深換熱量估算值較大，導致機組低能效比運行，系統不節能。

3、無論打井多深均采用同一管徑，未對熱短路及循環阻力進行校核。

4、冬、夏季流量差異較大，取值不合理，冬季工況流速可能低于0.6m/s，不能充分換熱。

5、施工過程中質量控制不嚴，焊接縮頸等問題，造成管道阻力偏高。

6、打井時各管路深度差距較大，流量不平衡，導致某些井流速低換熱量受限，某些井流速超標但未能吸收足夠熱量。

7、一般施工過程中為了方便，基本都采用原漿回填，原漿的理論導熱值極低，約為土壤的1/2～1/4，可能造成傳熱瓶頸。

8、不是所有的地質都適合土壤源熱泵工程，土質為沙土、或粘土的地區最適合開展地源熱泵工程，巖石地質地源成孔困難，不適合土壤源熱泵工程。

9、地源熱泵系統運行控制方面，有些系統在機組停機，而空調泵不停機時，地源側循環泵仍然不停機，建議此時地源側循環泵停機，當機組要啟動時，再啟動地源側循環泵。

五、埋管管材

一般來講，一旦將地下埋管系統換熱器埋入地下后，基本不可能進行維修或更換，因此地下的管材應首先要保證其具有良好的化學穩定性、耐腐性。

1、鋼管（套管式采用）：普通碳鋼管，可使用年限無此方面資料參考，暫無法評估使用壽命。實際應用較少，國內有一些公司采用。

2、PE管：公稱壓力不得小于1.0Mpa，工作溫度應在-20℃～50℃范圍內；地埋管壁厚宜按外徑與壁厚之比為11倍選擇；地埋管應能按設計要求長度成捆供應，中間不宜有機械接口及金屬接頭。(PE管的理論壽命超過70年，有關人士提出說這種埋地情況，可能1萬年都不會分解，會造成環境污染，希望引起重視。)

3、為了強化地下埋管的換熱，國外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不銹鋼鋼管，但目前實際應用不多。

六、埋管方式

1、水平埋管

水平埋管主要有單溝單管、單溝雙管、單溝二層雙管、單溝二層四管、單溝二層六管等形式，由于多層埋管的下層管處于一個較穩定的溫度場，換熱效率好于單層，而且占地面積較少，因此應用多層管的較多。（單層管最佳深度1.2～2.0m，雙層管 1.6～2.4m）。近年來國外又新開發了兩種水平埋管形式，一種是扁平曲線狀管，另一種是螺旋狀管。它們的優點是使地溝長度縮短，而可埋設的管子長度增加。

2、垂直埋管

根據埋管形式的不同，一般有單U 形管，雙U 形管，套管式管，小直徑螺旋盤管和大直徑螺旋盤管，立式柱狀管、蜘蛛狀管等形式；按埋設深度不同分為淺埋（≤30m）、中埋（31～80m）和深埋（＞80m）。

1) U形管型：是在鉆孔的管井內安裝U 形管，一般管井直徑為100～150mm，井深10～200m，U形管徑一般在φ50mm 以下。

2) 套管式換熱器：套管外管直徑一般為100～200mm，內管為φ25～φ50mm。其換熱效率較U形管高。缺點：下管比較困難，初投資比U形管高；在套管端部與內管進、出水連接處不好處理，易泄漏；管井較深可能熱短路現象嚴重。

七、井璧回填

可以選用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料選擇要兼顧工程造價、傳熱性能、施工方便等因素。從實際測試比較澆鑄混凝土換熱性能最好，但造價高、施工難度大，但可結合建筑物樁基一起施工。回填沙石或碎石換熱效果比較好，而且施工容易、造價低，可廣泛采用。由于鉆井原漿的導熱系數較低，一般情況下，不宜采用原漿回填。

八、防凍液選擇及對系統的影響

目前，國內對地源熱泵仍處于研究階段，有關實際應用方面的實力較少，特別是對防凍液特性研究則更少。由于防凍液的性質對機組的處理、系統的運行費用以及環境、人體健康、安全等方面都有重要影響，因此選擇合適的防凍液是保證系統運行的良好重要影響因素。常見防凍液有：氯化鈣、氯化鈉、乙醇、乙二醇、甲醇、醋酸鉀、碳酸鉀溶液等。

防凍液的選擇須考慮以下幾個因素：粘性、可燃可爆性、毒性、腐蝕性、導熱性、流體的凝固點、系統能耗、對環境的影響、火災風險、價格和來源等。具體選擇哪種防凍液主要根據熱泵系統的工作穩定、防凍液的物理化學性質、傳熱性能等多個方面進行經濟技術比較。

一般來說，土壤源熱泵中較多采用乙二醇水溶液。乙二醇水溶液相對安全、無腐蝕性、具有良好的導熱性能、價格適中、工作溫度較合適，因此深受歡迎。但是乙二醇本身也具有一定副作用，如毒性、使用壽命、粘度增加等，設計時需考慮。

結束語

隨著工業擴張，環境問題日益惡化，國家對清潔能源重視程度日益提升，土壤源熱泵作為一種可持續發展的綠色能源技術，有著高效節能的特點，具有水地源熱泵沒有的諸多優點，在我國的發展十分迅速，相信將來也一定能有其發展空間。固然現階段土壤熱泵仍存在很多技術缺陷，總體而言利大于弊，隨著經濟收入的提高，地源熱泵技術的發展以及國家在地源熱泵支持與推廣，會逐一彌補土壤源熱泵技術缺陷。

[1]曲云霞等，地源熱泵系統中防凍液的傳熱能力分析，FLUID MACHI NERY，2002-10

[2]樓媛媛，地源熱泵優缺點分析，現代商貿工業，2010-22

[3]李安貴等，地源熱泵系統防凍液的選擇，節能與環保，2002-8-30

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1007-6344（2017）02-0286-01