地源熱泵應用在存在的問題

李宏峰

摘要：地源熱泵在國外發達國家應用已經成熟，但在中國還處于引進試用階段。中國地源熱泵應用存在著一些問題，對這些問題應采用的解決方式。

關鍵詞：地源熱泵應用；優勢；國家政策；系統設計；施工規范

【中圖分類號】TV211.1+2【文獻標識碼】A【文章編號】2236-1879（2017）12-0267-02

地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源作為冷熱源，進行能量轉換的供暖空調系統。地表淺層地熱資源指地下水、江河湖水、水庫水、海水、城市中水、工業尾水、坑道水等各類水資源以及土壤源，它們吸收的太陽能、地熱能遠遠超過人類每年利用能量。它不受地域、資源等限制，是儲存于地表淺層量大面廣、近乎可無限利用的清潔可再生能源。

地源熱泵不是能量的制造者，而是能量的搬運工。地源熱泵只是在大地和室內之間“轉移”能量，利用極小的電力來維持室內所需要的溫度。在冬天，使用電力將土壤或水源中熱量送入室內。在夏天，過程相反，室內的熱量被熱泵轉移到土壤或水中，使室內得到涼爽的空氣。如此周而復始，將建筑空間和大自然聯成一體。以最小的低價獲取了最舒適的生活環境。它利用地層特定深度保持恒溫的特性，制熱能效比達到4.0以上。也就是說消耗1KWh的能量，用戶可得到4KWh以上的熱量或冷量。地源熱泵系統是目前效率最高、對環境最有利的熱水、取暖和制冷系統。如果考慮到包括環境效益、能源保障和長期利用在內，地源熱泵系統是最好、技術含量最高的替代產品。地源熱泵供暖空調的優勢使其成為近年來世界可再生能源利用及建筑節能領域中增長最快的產業之一。

從地源熱泵應用情況來看，北歐國家主要偏重于冬季采暖，而美國則注重冬夏聯供。由于美國的氣候條件與中國很相似，因此美國的地源熱泵應用情況對我國地源熱泵的發展有著借鑒意義。美國每年新建獨立家庭住宅（別墅）中，超過40%使用了地源熱泵系統。到2005年為止，美國的地源熱泵安裝數量已經達到100萬臺。

跟傳統中央空調相比，地源熱泵系統具有顯著的優勢。

優勢一：一機三用，地源熱泵系統可以滿足中央空調、地板采暖、生活熱水三個功能需求。

優勢二：高效節能，穩定可靠，地熱資源的溫度一年四季相對穩定，冬季比室外環境空氣溫度高，夏季比室外環境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高，可節能和節省運行費用30%-50%左右，且系統運行不受外界氣候影響，運行穩定可靠。它比燃油鍋爐采暖節能50%；比電采暖節能70%。

優勢三：舒適度高，使用壽命長，地源熱泵系統的運行不受外界氣候變化的影響，不管是夏天炎熱的天氣還是冬季雨雪天氣，地源熱泵系統都能非常穩定運行，保證制冷、采暖的效果，這是傳統空調無法比擬的優勢。

優勢四：地源熱泵系統的能量來源于太陽能，它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣、是一種理想的“綠色空調”被認為是目前可使用的對環境最友好和最有效的供熱、供冷系統。

在中國地源熱泵的應用取得了不小成績，但是也存在著不少問題。當然，這些問題是怎么樣把該系統用得更好，而不是質疑該系統是否有效。

1地源熱泵推廣應用會受到政策支持的影響

比如說地源熱泵常見的一種換熱方式是利用地表水源。水源熱泵工作中需要持續的抽水、排水，收費管理需要涉及到調整相應城市用水管理條例；如果收費偏高，會影響地源熱泵的推廣。地源熱泵常見的另一種換熱方式是利用地表土壤。土壤垂直埋管式地源熱泵需要通過垂直鉆孔將閉合換熱系統埋置在幾十米至上百米深的巖土體與土壤進行冷熱交換。土壤水平埋管式打井埋管受場地限制比較大，必須有足夠的面積用于打井和埋管。規劃土壤換熱式埋置管道的面積和深度都需要城市規劃部門進行認可審批。地源熱泵布局要合理，避免破壞水文地質環境。

在西方發達國家，對待地源熱泵應用是頒布法規，要求在公用建筑中推廣應用地源熱泵系統，并采用給予政策補貼方式推廣，一直到其應用成熟為止。地源熱泵系統一次性投資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同，一般用戶越多分攤下來每人的運行費用就越低。因為它的換熱管道需要預埋在地下，一般在建筑設計階段前就要同步考慮設計了。

雖然地源熱泵應用能在后期運行給用戶和社會帶來諸多節能好處，但是初期產生的投資不小，而且不能直接為房地產商創造利潤。如果國家不給予政策補貼鼓勵推廣，僅靠設備生產廠家推廣肯定無法大面積實施。國家及各省應出臺行業標準及優惠政策，促使這個行業健康發展。

2地源熱泵系統跨越了多個學科領域，涉及到建筑、暖通、地質學、熱力學、流體力學、自動化控制、機械設備等多個學科，要有綜合的知識、系統集成

建設和管理涉及到規劃、建設、國土、水務、環保等多個職能部門，各省建設部門需要從全局的角度出發，加強地源熱泵系統的技術研究指導工作，為其建設與安全運營提供可靠的技術支撐。地源熱泵系統涉及到勘探、設計、施工、監理、后續運行等各個不同環節，必須由具有相關資質的單位承擔，并由專家組根據相關技術法規進行論證和審批。

地埋管換熱器的設計是決定地源熱泵系統成功的關鍵之一，設計出現偏差可能導致系統運行效率降低甚至無法正常運行。影響換熱器的主要方式是地質因素，如地層土的物理化學性質、地下水位深度、水量、地質是否適合打井和回灌等。換熱器的換熱形式和熱泵選型取決于地質或水文條件。這些水源地質的勘探、資源評估工作由政府部門出面組織更合適。

3地源熱泵應用中設計的不足

有些項目設計單位缺乏熱泵設計師，對地下換熱器這一系統關鍵缺乏了解。在沒有進行地質水務進行勘查情況下，不進行科學實驗，僅憑經驗數據盲目設計。

設計常見的問題有：（1）地下水回灌的技術問題。地源熱泵系統采用地下水方式換熱時，通常理論上要求通過回灌井把地下水回灌到原來的地下水層。但目前國內地下水回灌技術設計不規范，在很多地質條件下回灌的速度大大低于抽水的速度，從地下抽出來的水經過換熱器后很難再被全部回灌到含水層內，造成地下水資源的流失，有可能引起地面沉降。這是地源熱泵應用失敗的一個常見原因。造成這種現象的原因是設計時抽水井群與回灌井群數量布局不合理，一般為了保證回灌效果，抽水井群與回灌井群比例不得低于1∶2。通常地下水回灌成本比抽水成本高，速度慢，所以設計中對回灌井數量、間距要充分考慮。在國外西歐國家回灌技術應用是成熟的，但是中國以前沒有行業技術標準強制要求其執行，才導致設計時只考慮降低眼前成本，不考慮長遠運行。

（2）要考慮冷熱負荷平衡問題。地源熱泵工程采用土壤式換熱法，需要采用可靠的試驗設備，通過地下巖土準確測試地埋管施工地區巖土的熱物性參數、從而測算確定每延米地埋管換熱孔的換熱量，為地源熱泵系統地下換熱器設計、換熱孔鉆鑿施工工藝等提供必要的基本依據。我國地域廣闊，南方地區以供冷為主，常年向地下注入熱量；北方地區冬季供暖需求大，從土壤中大量吸熱，長年運行后將導致土壤溫度失衡，影響周圍生態，比如引起土壤開裂。設計及運行中對全年冷熱平衡有較大要求，如果采用土壤式換熱方式要做到夏季往地下排放的熱量與冬季從地下取用的熱量大體平衡。換句話來說，有些地源熱泵設計中為節省成本，不按要求做地熱平衡實驗井施工測試，地埋式換熱孔數量少，間距及深度不足加上使用不合理，全年冷熱負荷不平衡，引起地質災害，最后導致地源熱泵系統停止使用。從技術上說，采用地表水換熱方式不需考慮冷熱負荷平衡問題，采用冷卻塔方式可以改向空氣釋放熱量。

（3）在水源熱泵應用之前需要調查當地的水源情況。水源原則性要求有：水量充足，水溫適度，水質適宜，供水穩定。地下水熱泵系統的經濟性與地下水層的深度有很大的關系。如果地下水位較低，不僅成井的費用增加，運行中水泵的耗電將大大降低系統的效率。水源開采技術和費用會制約著地源熱泵整個系統的應用。

4地源熱泵施工中不規范

有些施工企業沒有資質，安裝施工質量不規范；有些公司降低設備選型與質量，惡性競爭，運行管理不規范。

按照2009年頒布的地源熱泵技術規范，埋設的管材和管件必須符合設計要求，有相應的質監報告和生產廠家合格證。回填材料必須符合質量要求。安裝施工必須由有資質的公司進行。以往由于管材質量不合格、回填料不合格及施工質量不合格導致管路堵塞報廢的例子時有發生。

地源熱泵作為一個系統，必須從綜合方面考慮，比如水泵等設備必須匹配系統要求。由于氣候和地理的差異，北方的地埋管出水溫度比南方的低很多，因此，蒸發溫度就要提高，所配的地源熱泵機組容量就應該有所區別。設備生產廠家可以根據地源熱泵系統不同地域的實際情況，做出更多的配套滿足系統要求。預埋地下的管網必須使用好的材料，管網重建的成本很高。如果設計地源熱泵系統壽命是三十年，而地下管網壽命只有十年。那么就會出現不匹配現象，整個系統使用壽命只有十年。

5加強整個系統設計，從設計、施工、驗收要嚴格地源熱泵系統技術規范要求

我們看到，前面列舉的地源熱泵應用中出現的問題有些是技術方面的，有些是管理方面的，都是可以克服的。從節能角度出發，地源熱泵從開始運行到回收系統成本需要5-7年。從技術上來說，系統需要經歷多年春、夏、秋冬四季的氣候狀況和多種工況考驗，均能滿足熱水、采熱、供冷需要，才能證明系統運行技術成熟。為促使地源熱泵承包商正視質量問題，應立法提高地源熱泵系統的保修期。要求承包商對地源熱泵系統按照規定的參數承擔10年以上的維修義務，并由保險公司進行質量保險。保修期的延長，意味著承包商在必須從整個系統進行把好質量關，這樣才不至于保修期間被返修，增大成本。提高保修期準入門檻，可以把一些質量不合格的公司淘汰掉，有利于壯大素質優秀的公司隊伍。保險公司在利益驅動下，肯定會雇傭強大的專家團隊，對整個過程進行合理監督，優化管理方案，降低整個系統維護費用。

要從國家層面上加強地源熱泵的行業技術交流，加大從業人員的技術培訓，實行嚴格的地源熱泵設計師制度。地源熱泵系統是地下隱蔽工程，系統運行要求長期安全可靠，其技術管理復雜性超過主體工程，應建立專門部門進行統一管理。雖然歐美等發達國家地源熱泵技術應用已經成熟，考慮到中國地理地質條件的不同，注定地源熱泵系統工程具有不可復制性。由于該技術才進入中國十幾年，這需要我們在以后應用中由國家出面投入大量資金進行研究、技術積累，形成符合中國要求的技術規范。

地源熱泵的推廣需要各個專業領域的人員來共同配合、共同參與！

參考文獻

[1]李文良，河北地源熱泵應用現狀存在問題及建議.