224土壤源热泵的实施前提.doc

土壤源热泵系统的实施前提 Preconditions of Ground-Coupled Heat Pump 同济大学 马宏权 龙惟定 摘 要：随着能源短缺的加剧和国家对可再生能源的日益重视，近年来地源热泵系统迅速增多。本文讨论了土壤初始温度、地质情况等土壤源热泵的实施前提，同时分析气候和建筑物负荷情况、设置土壤换热器的占地面积等几个影响土壤源热泵的主要因素，总结了土壤源热泵决策前需要考虑的几个重点问题。 关键词：土壤源热泵 实施前提 节能 1、概述 随着我国建筑节能的推进和对可再生能源的日益重视，近年来我国的地源热泵发展迅速，尤其以华东地区、京津地区和东北的沈阳地区最为典型，已经成为我国建筑空调冷热源中不可再被忽视一支力量。 地源热泵分为地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统和土壤源地源热泵系统。早期地源热泵以在京津地区实施较多的钻井抽灌地下水式地源热泵为主要形式，这种方式需要工程实施所在地存在可稳定连续补给的地下承压水层，取水和回灌过程当中一定程度的地下水污染和浪费是难以避免的，同时压力回灌难以完全保证取热后的排水能够全部回灌到和取水相同的承压水层，大面积长期抽罐不平衡会造成可压缩地层孔隙水压力减小，有效应力增大，引起地层变形和地面沉降。因此大面积使用地下水源热泵对地下水质和地质结构存在潜在的破坏性，一旦造成大面积地面沉降或地下水水质污染将对城市带来一系列难以弥补的严重后果。以目前沈阳地区五年内推广6000万平米地源热泵的计划为例，如果均采用目前占当地市场份额97%的地下水源热泵技术，到2010年每年采暖季抽取的地下水就可以把沈阳市区整体下降0.5米，因此一定要谨慎推广、科学规划、严格管理。地表水地源热泵系统也以具备合适水温水量和水质的地表水体为实施的先决条件，较少有建筑物能够通过很短的取排水管道对地表水加以利用，而取排水管道的建设费用和输配功耗则很容易把热泵机组节约的投资和运行费用抵消，城市中的河水利用还涉及到航运、水务、防汛等多个部门的协调，因此存在一定的非技术制约因素。而土壤源热泵由于采用土壤换热器换热的闭式循环，虽然造价有所上升，但在土壤温度适合的地区容易具备实施的前提条件，同时闭式的循环系统不会对环境和地下水体造成影响。而且土壤源热泵储量丰富，按照2004年我国建筑总能耗1.7亿吨标煤加5900亿度电折算的一次能比较，不考虑地下水的储热，全国百万分之一陆地面积百米以内土壤中的低品位温差能即可满足全国的建筑能耗。因此在近年来土壤源热泵已经逐渐发展成为地源热泵的主要形式。本文将主要以土壤源热泵系统为讨论对象，分析影响其实施的主要因素，对项目实施的决策提供参考。 2、土壤源热泵的适用性分析 土壤源热泵技术上的适用性主要取决于工程所在地的土壤温度、建筑物负荷情况、地质情况以及是否具备充足的土壤换热器施工场所。适中的冬夏都可利用的土壤温度、较小但稳定的冷暖负荷、较少风化岩石和富含流动性好地下水的地质情况是采用土壤源热泵的理想条件。难以获得足够的土壤换热器施工面积是土壤源热泵主要的限制因素。 2.1 土壤温度 合适的土壤温度是土壤源热泵实施的基础条件，对于土壤源热泵系统土壤换热器内循环流体温度与土壤温度保证10℃温差是较为有利的，14～18℃的土壤温度既在夏天足以替代冷却塔作为热泵机组的冷却系统，在冬天也可以在不添加防冻剂的条件下作为热泵的低位热源使用。高于20℃的土壤温度用于持久制冷的潜力较小，因为其土壤温度在地源热泵运行持续一段时间达到稳定后土壤换热器周围的土壤温度已经高于常规冷却塔系统，这会造成土壤换热器内循环流体能获得的温度差急剧减小，从而导致热泵机组效率和出力下降。而低于7℃的土壤温度虽有利于制冷但为了避免土壤冻结制热的能力会受到限制，在寒冷地区的土壤源热泵必须为土壤换热器循环水添加乙二醇等防冻剂，此时的热泵机组效率也会有较大的下降，同时土壤换热器数量和占地面积都会有较多的增加。 浅层土壤按温度变化的特征可以划分为三层：地表层、恒温层和增温层。地表层地温主要是受太阳光幅射热和室外空气温度的影响，其土壤温度随季节、昼夜的变化而变化。日变化造成的影响深度较小，一般仅3.2～5m，年变化影响不断重叠， 图1.上海地区土壤月平均温度的季节变化 图2.上海不同深度处土壤月平均温度实测 影响的范围可达地下20米，但是3米以下的变化已经很小。见图1上海地区土壤温度的月变化。恒温层: 该层地温与当地的年平均温度大致相当，一般高于年平均温度1～2℃且常年基本保持不变，其深度大约在20～40米。图2和图3是国家气象局对北京和上海市浅层土壤温度的实际测试数值，由于深层土壤温度变化很小没有测试数据，但可以证明这一经验原则。一般情况下在中纬度地区恒温层较深，在两极和赤道地区较浅；在内陆地区较深，在滨海地区较浅。增温层: