岩石丘陵地区常见地源热泵系统应用局限及解决办法
在我们国家及世界各地，都有许多位于岩石丘陵地区的需要供暖空调的建筑物，比如辽东半岛的大连，山东半岛的烟台、威海、青岛等，这些地区一般为地下水缺乏的地区，从而难以采用地下水热泵系统；并且因岩石层离地面较近，钻孔费用的高昂和钻孔工期的漫长，又难以推广应用地下耦合式热泵。因此，笔者在去欧洲四国考察的基础上，又从深入调查研究了美国的应用情况，从而得出岩石丘陵地区适合推广应用高效换热地源热泵系统的结论，而国内有关此方面的资料几乎为零，所以在此结合工程实际来介绍这一技术。
这种地源热泵应用技术自上世纪70年代就开始从美国东北部开始使用，位于阿尔卑斯山区的瑞士也从70年代开始大量采用这种方式。它以较低的初投资和较高的运行效率而大大优于闭式耦合式地源热泵系统。
高效换热地源热泵系统，也就是单管型垂直埋管地源热泵，在国外常称为"热井"。高效换热地源热泵系统只需要通过一口井的水循环就可以来满足建筑物的冷热负荷（当然，比较大的项目需要多口单井一起来满足负荷要求）。该技术比较适合于岩石层离地面比较近的地区。通过钻入岩石的深孔，将水引入孔的最深处，水在岩石孔中循环，直接与周围15-20℃的浅层地热能进行高效率的热交换（岩石类K=2-6W/（m.℃），砂K=0.58W/（m.℃），粘土K=0.93W/（m.℃），而地下耦合热泵系统因为是间接换热，有一层管壁隔绝(见图5)下换热（HDPE，K=0.517 W/（m.℃）PB, K=0.383 W/（m.℃）；PVC，K=0.19 W/（m.℃）），经国内外实践验证为每米井深40-70W/m的换热量（单U形管），而高效换热地源热泵系统的换热量高达160-500 W/m的换热量！比耦合热泵系统的换热量高出3-6倍之多！可见其系统的优越性。
因为该系统只在国外特定地区比较普及（岩石丘陵地区），故并未引起学者的注意，而是由一些非暖通专业的安装人士首先研究应用的（如瑞士一发明人原来是在地下400米作业的矿工，寒冷的冬季而在地下感受到了20℃的温暖，所以他从70年代就开始在瑞士研究完善推广了该系统）。但近一两年也有专家开始认识到其优越性，并开展了系统性的研究。
这种方式下，在地下水位以上用钢套管作为护套，直径和孔径一致；地下水位以下为自然孔洞，不加任何固井设施。热泵机组出水直接在孔洞上部进入，其中一部分在地下水位以下进入周边岩土换热，其余部分在边壁处与岩土换热。换热后的流体在孔洞底部通过埋至底部的回水管被抽取作为热泵机组供水。典型孔径为150mm，孔深450m。经研究证实，高效换热地源热泵系统的性能与水流速度、井深、岩石传热特性和水力传导性密切相关，而其它一些参数对井的性能影响较少。
为了保护可饮用的裂隙地下水，在成井过程中，应采用措施封闭相关裂隙带，确保不对当地的地下水造成影响，另外也可以封闭含有卤水或海水的裂隙带，防止高腐蚀性的地下水影响系统运行寿命。
耦合式系统间接换热示意图
系统优点
①高效节能，绿色环保，属于目前国际上倡导采用的可再生能源之一----地热能；
②减少钻孔量，降低造价。通过岩石直接换取地下热量，效率大大提高，可以节省14-19%的钻孔量；
③工作状态优良，使系统可以长期安全可靠高效运行（夏季冷凝温度比耦合式低10-15度，冬季蒸发温度比耦合式高8-10度）；
④省却传统中央空调的烟囱、冷却塔、风机等，没有了烟雾、飘尘、噪声、军团病等污染；
⑤实现了全自动运行，可无人值守；
⑥系统自动根据负荷调整运行，节省运行费用；
⑦夏季可获得免费的生活热水，春秋冬季以较低的费用制得生活热水；
⑧可实现远程监视、远程故障报警、诊断功能，节省用户的人力物力。
工程实例介绍：纽约某基金大厦地源热泵系统简介
该基金大厦将建于纽约曼哈顿区中央公园以东的第64大街上，计划进驻一些非赢利性基金会。该大厦总建筑面积1858m2，地上5层，地下2层，将建成节能、环保、经济高效的示范性工程。该供热空调系统的负荷，包括厨房的冷藏和冷冻的负荷，都是由高效换热地源热泵系统来满足的。两口472.44m深的热井用来满足该系统的供热、空调、冷藏、冷冻要求。
系统介绍
两口深472m，直径为150mm的井钻在建筑物下面的岩床上。每口井都是在5-6天内完成。井中抽出的14.4℃的水将作为热泵机组供暖空调的冷热源。热井是通过将井底的水抽至热泵机组，由机组吸热或排热后再排送回同一口井的上部。水是在井中垂直流动并换热的，因此叫"热井"，只要确保水与井壁间流动的雷诺数来保证较高的传热系数，就可以得到很高的换热效率。每口井接近获得30冷吨（105kW），两口井将获得60冷吨（211kW）的冷（热）量来满足建筑物的负荷。
系统制热/供冷功能的实现
地源热泵机组分别被安装的大厦的不同功能区。每台热泵机组都可以或者向地下水系统吸热（用来制热），或者向地下水系统排热（用来制冷）。因为在冬季是利用的将夏季的热量储存在地下的热量，所以其经济性特别明显。夏季空调排放的热量排放到相对较凉的岩层中，也使空调效率大大提高。将夏季的空调排热回注并储存在岩层中，并不需要额外的冷凝设备，避免了常规空调器的室外机组噪音和安装于屋顶，影响建筑外观。该系统的热泵机组运行噪音极低，并且没有设计额外的热源设备。
纽约某基金大厦高效换热热泵系统的流程图
由于地源热泵系统不消耗化石燃料，也就没有燃烧后的废气排出。据测算，如果该大厦供热系统采用石化燃料，必将每年排出大量的CO2等废气，如果用燃油方式，每年将排出48000m3的CO2，如果用燃烧天然气的方式，每年将排出28000m3的CO2。
结论
随着人们物质生活水平和环保意识的提高，高效节能绿色环保的供暖空调形式---地源热泵成为了热门产品，但每一项新技术都有其合理的应用范围，作为暖通空调技术人员，应该深入研究各种实际情况，切实把新技术消化吸收，应用到实际工程中去。
高效换热地源热泵系统是适合在岩石层离地面较近的地区的别墅群、办公楼等有供暖空调需求的建筑物的最佳选择之一。
（责编：zyl）
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