地源热泵在浙江地区的适用性分析

摘要：地源热泵是近几年业内人士十分关注的一项被称为节能环保、可再生能源利用技术，本文主要对地埋管地源热泵空调系统应用于夏热冬冷的浙江地区的适用性、成功案例以及应注意的一些技术问题进行分析和探讨。

关键词：地源热泵；节能；适用性；热平衡

1. 引言

    地源热泵由于在系统设备中不需要燃烧原料，所以没有CO₂、SO_X、粉尘等污染物的排放，属绿色环保型空调系统。尤其是在当今环境污染与能源危机成为人类面对并必须给予解决的社会背景下，以环保和节能为主要目标的绿色建筑及相应的供暖空调系统应运产生，而地源热泵技术正是满足这些要求的有代表性的低能耗新型空调系统。

2. 地源热泵技术简介

    地源热泵系统是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。其为典型的可再生能源利用技术，与常规的水冷式冷水机组加锅炉供冷供热方式相比，地源热泵系统夏季可减少向大气的排热量，减缓城市的“热岛”效应；冬季除使用少量电能以外，不使用一次化石能源，可减少污染物的排放和一次能源的长途运输成本。工程运行实例表明，地源热泵空调系统可减少一次能源消耗40%～50%。

3. 国内外发展状况简介

    国外对地源热泵的研究较早,最早可以追溯到 1912年瑞士的一个专利。而该技术的提出始于英美两国。美国在1946年进行的12个地下盘管研究项目，这些系统测试了地下埋管的参数。1954年美国人发明了世界上第一台地源热泵。近十年来，地源热泵在欧美工业发达国家取得了快速发展，已成为一项成熟的应用技术。到2000 年底，美国有超过40 万台地源热泵系统在家庭、学校和商业建筑中使用。

    我国具有较好的热泵科研成果与应用基础，早在 20世纪50年代天津大学开展了热泵的研究，1965年研制成功国内第一台水冷式热泵机组。我国政府十分重视热泵技术和浅层地热能资源的开发利用工作。到2004年底，北京已有200多个单位总计420×10⁴m²的建筑面积利用地源热泵系统进行供暖或供冷。

4. 长江流域的气候特性

    中国长江流域及其周边地区有几个省市，是中国经济高速发达的地区，面积为18×10⁴km²，人口为5.5亿，国民生产总值约占全国的48%，是一个人口最密集，经济、文化比较发达的地区。按照我国建筑气候划分，该地区属于“夏热冬冷”地区。即夏季气候闷热，最热月平均温度为25℃～30℃且以28℃～30℃居多，多数地方高于35℃的酷热天气长达半个月至一个月，比世界上同纬度其他地区高出2℃左右，是地球上这个纬度范围内除沙漠干旱地区以外最炎热的地区，而且相对湿度经常高达80%左右；冬季潮湿寒冷，最冷月平均温度为2℃～7℃，大多数在2℃～5℃之间，是地球上同纬度冬季最寒冷的地区。长江中下游沿岸及以北一带，日最低气温低于5℃的天数长达两个月甚至三个月的时间，且相对湿度仍然很高，达73%～80%。故适合在该地区推广地源热泵技术，从而充分发挥地下蓄能的作用。

    浙江省是长江流域最具有代表性的省份之一，人口集中，能源消耗量大，污染问题突出。而且本地区能源资源相对比较匮乏，能源供给形势严峻。因此从节约能源，改善能源结构和保护环境这些问题考虑，也应该推广热泵这项节能技术。

5. 地源热泵在浙江地区的适用性分析

    ① 地埋管地源热泵系统

    地埋管地源热泵通过水作为冷热载体，借助地埋管换热器及管中的循环水与地层岩土的热交换而到达制冷和供暖的效果。在夏季供冷时，进出热泵机组冷凝器的冷却水把冷凝热带入地埋管换热器，使之与岩土进行循环热交换后排热降温，同时使热泵机组的蒸发器产出约7℃的冷水达到空调供冷效果。同时存储热量，以备冬用。在冬季供热时，进出热泵机组蒸发器的热源水，在放出热量降低温度后回到地埋管换热器中，并使之与岩土进行热交换而获取热量，使热泵机组的冷凝器产出45℃～60℃的热水进行供热。同时储存冷量，以备夏用。

    因其不存在井水回灌、地面沉降、水资源浪费、地下水及地表水污染等一系列问题而备受关注。地处夏热冬冷地区的浙江省，全年雨水丰富，水源充足。丰富的水资源使得本省的的部分岩土体的含水率高且地下水位高，并且部分地区的地下水的径流速度快。地埋管换热器的换热效率明显高于我国北方地区的干性岩土体的实际工程效果。与北方相比，南方地区的第四系覆盖层厚度较薄，地层结构以基岩为主，岩土体的综合导热系数和单孔换热量要高于北方地区。

    ② 地下水地源热泵系统

    地下水地源热泵系统为开式系统，从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。通过实际工程测试，浙江地区的地下水水温夏季约20℃，冬季约15℃，为优质的天然冷热源。很多地区的第四系松散岩类孔隙潜水以及承压水的富水量丰富。根据以义乌市水文地质图提供的资料，义乌市部分地区的单井出水量可达到1000t/天。尤其是对于地下水与地表水水力联系密切的地区，地表水自然渗透补给地下水。地下水地源热泵系统可以直接抽取地下水，排放到地表水体中，不需回灌。大大降低了系统的初投资，降低了地下水地源热泵系统的复杂度。

    ③ 地表水地源热泵系统

    在靠近江、河、湖、海等大量自然水体的地方，利用这些自然水体作为热泵的低温热源是比较经济的一种空调热泵形式。近两年发展较快的利用城市污水和工业废水的污水源热泵系统也属于地表水地源热泵系统的形式。与前两种地源热泵系统形式相比较，地表水地源热泵系统的初投资最低。地表水地源热泵系统有开式和闭式两种系统。

    浙江杭州的千岛湖、青山湖、钱塘江、新安江、东阳江等地表水体中蕴含着大量的低温地热能。千岛湖的旅游资源带动了淳安县的发展，鳞次栉比的度假别墅群以及五星级酒店等如雨后春笋般涌现，为地源热泵系统的应用提供了契机。而千岛湖湖水是独一无二的天然冷热源。千岛湖的水质为一级水质，为农夫山泉的取水源。取水经过简单处理即可直接进入热泵机组进行换热，不需软水处理等复杂步骤，节省了初投资，简化了系统。通过对千岛湖进行测试，夏季室外温度为35℃时，水面以下20m的水温约为12.6℃；水面以下15m的水温约为16.1℃。远远低于室外温度。冬季室外温度为10.3℃时，水面以下4m的水温约为10.0℃；水面以下15m的水温约为9.9℃；水面以下20m的水温约为9.9℃。5m以下水温基本恒定，不受室外温度的影响，不随室外温度的波动而变化。

6. 地源热泵空调系统在浙江省的典型工程实例

    在浙江省的杭州、宁波、绍兴、嘉兴、义乌等地区有地埋管地源热泵和地下水地源热泵工程技术的应用，约有25×10⁴万m²建筑面积采用热泵系统，主要用于别墅、办公楼、酒店、商场等中央空调系统调温。

    （一）杭州大世界五金城

    总建筑面积26×10⁴m²，总投资5亿元。占地111600m²，以五金文化为核心，聚集国际五金产品展示和贸易。采用地埋管地源热泵系统，双U垂直埋管式系统，钻孔深度45m。

    （二）杭州朗诗国际街区

    杭州朗诗国际街区位于杭州下沙经济技术开发区6号大街和27号街交叉口，总建筑面积21×104m²，采用目前世界先进技术的高舒适度住宅，其冷热源全部采用地源热泵系统，同时提供空调系统冷热水和卫生热水。本工程共布置地埋孔2200口，其中桩基埋管约200口，由于桩基埋管风险较大，因此，另外2000口全采用钻孔埋管，孔深80m，采用W型（见图1）。

    （三）杭州中北花园二期

    杭州中北花园二期位于杭州市下城区上塘路与文晖路交叉口，总占地面积为22785m²，总建筑面积约为99625m²，采用地源热泵中央空调系统。该系统除了进行室内制冷制热外，同时提供生活热水及为游泳池加热。本工程土壤换热器共布置地埋管704口，埋管形式分为桩基埋管和钻孔埋管两个部分，其中桩基埋管为610口，有效长度35m，地埋管为94 口，有效长度35m，采用PE25管材，W型埋管。

    （四）千岛湖天屿山顶度假别墅

    2008年中国十大超级豪宅之一：千岛湖天屿山顶别墅，择址于千岛湖制高点，三面环水。 该项目共有70多套别墅及一套五星级国际五星级SPA酒店。建筑面积达25×10³m²。该项目采用地埋管式地源热泵系统，埋管深度100m，采用 HDPE De32管材，双U型埋管。本项目室外地埋管设计湖北风神净化空调工程有限公司与浙江省工程物探勘察院共同完成，施工过程中采用了创新的无尘施工技术，受到了业主的一致好评。

    （五）千岛湖碧水华庭度假村

    本项目位于千岛湖中心湖区进贤湾中心位置，共有26套别墅及一套管理楼。建筑面积达25×10³m²。该项目利用天然资源千岛湖湖水，采用地表水地源热泵系统，在满足室内空调及采暖要求的前提下，提供生活卫生热水。机组采用节能高效的涡旋冷热水型水源热泵机组。

7. 结语

    地源热泵空调系统在我国是一项新的技术，是一项跨专业、跨学科的综合能源利用技术，在北方城市，如北京、沈阳以及河北等省份已经得到了成功应用。而在夏热冬冷的浙江地区发展还处于起步阶段。通过以上分析，地源热泵空调系统在浙江地区是非常适用的。

    夏热冬冷地区建筑物的负荷特征是夏季冷负荷远大于冬季热负荷，在设计过程中需要注意：不可为了满足较大的冷负荷的需要，盲目加大地下埋管换热器的配置，因为这不仅会增加初投资，还存在影响系统正常运行和使运行能耗增加的风险。因此，笔者建议在工程设计中须注意如下几点：

    ① 准确勘测了解地下岩土体的岩性组成、温度及热物性、地下水位及其丰- 枯水期的变化幅度，以供准确计算埋管处岩土体向周边岩土的散热量和正确设计地埋管换热器的埋管长度。同时应针对不同的地层采用不同配比的回填料，以保证地埋孔的换热效果。

    ② 设置地热换热器的主要费用是钻孔的费用，正确设计地热换热器埋管的长度对于保证系统的性能和经济性十分重要，因此要进行综合技术经济分析。在有条件时，可以结合建筑桩基形式利用桩孔进行埋管设置，可省去大量的钻孔费用，施工也极为方便快捷。

    ③ 为保证地下热平衡，防止热堆积现象的发生，可以采用冬季热负荷设计地埋管换热器，夏季采用冷却塔辅助散热的方式，以减少夏季排入地层的热量, 还可以采用冷凝热回收装置免费制取生活热水，求得取、排热量的平衡，以及减少初投资与运行能耗。

    参考文献

    [1] 杨艳红，倪国葳，马卉，地源热泵技术与建筑节能[J]. 山西建筑，2009(11): 175-176.

    [2] 徐伟等译，地源热泵工程技术指南[M]，北京：中国建筑工业出版社，2001.

    [3] 刁乃仁，方肇洪，地埋管地源热泵技术[M]，北京高等教育出版社，2001.

    [4] 徐伟，中国地源热泵发展研究报告（2008）[M].北京：中国建筑出版社，2008.

    [5] 地源热泵系统工程技术规范（2009版）GB50366-2005[S].中国建筑工业出版社，2009.

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