摘要：地源热泵系统以浅层土壤为热源，其热力性能主要受到当地水文地质条件的制约，进而影响到整个系统经济性。本文深入浅出探讨了地源热泵系统设计中土壤热响应问题，并分析了地源热泵系统的经济性优势。
关键词：地源热泵,热响应,换热量,能耗
地源热泵系统是一项涉及多方面学科的地能利用技术,是利用地下浅层地热能源，通过热泵技术获取可供空调使用的冷热水的空调系统。地源热泵分为水源热泵和土壤源热泵。二者不同之处是：水源热泵直接利用水作为热源，土壤源热泵需要通过换热器从土壤中获取能量。地源热泵空调系统通常由地源热泵机组、地热能换热系统、建筑物内系统组成。
一、地源热泵简介
地源热泵系统是指以土壤、地下水和地表水作为热源,由地源热泵机组、地热能交换系统、建筑物系统组成的供热、供冷空调系统。在制热状态下,热泵机组通过地下的水路循环吸收地下水或土壤里的热量,传至冷凝器,冷凝器产生热水通过循环水泵送至空调末端设备对房间进行供暖。在制冷状态下,地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功使其进行汽-液转化的循环将热泵机组排放的热量带走,由此产生的冷水,通过循环水泵系统送至空调末端,对室内空间进行供冷。这种系统利用的是清洁能源,不会对自然界的能量系统造成不利影响,不会产生多余的碳排放,环保效果显著;并且,功能齐全,运行可靠,既可以用来供暖、也可以用来制冷,并且还能提供生活热水。根据地热能交换系统形式的不同,地源热泵系统可以分为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。其中,地埋管地源热泵系统由于对水环境扰动较小,应用的最为广泛,因此,我们接下来的分析将以地埋管地源热泵系统为主。
二、地源热泵系统设计中土壤热响应探讨
不同的地理位置,其土壤的导热系数也不相同,这会使得换热器的效果也存在着一定的差别。因此,设计之前,必须首先要知道土壤的导热系数。目前,确定土壤的导热系数有两种方法,即经验值估算法和热响应测试法。前者误差较大,在实际应用中已逐步淘汰,后者是通过加热循环水方式将热量释放到地下,记录进/出水温度、流量以及加热功率来计算土壤的相关的导热系数,这种方式相对来说比较严密,但在实际应用也存在着较大问题,并直接影响了测试结果并进而对设计产生了一定的误导作用,其主要表现如下:
2.1流速不同产生的换热量不同
相关资料表明,进水温度一定,热流量与流速呈正比关系,但当流速增快时,热流量的变化率逐渐变小,与此同时,流速的增加会增加循环水泵的功耗,因此,不同的工程应当都存在着一个最佳的设计流速。为此,在进行土壤热响应测试的时候,应具有整体的观念,要从整个系统的角度来设计,提供不同流速下的每延米孔深换热量,以便于计算经济流速和地埋管换热孔的总长度。
2.2季节及施工因素的影响
地源热泵系统工程的时间跨度相对比较短,一般只有1～3个月,因此,不可能在夏季和冬季都进行热响应测试,有时甚至由于受整个建筑工程施工进度的制约,还会在春季和秋季这样的不需要空调系统的季节进行测试。尽管竖直埋管的深度通常都达到90～120m,在地下30m以上一般温度不会受季节的影响,但是在地下0～30m处,土壤的初始温度随着季节的变化而呈现出周期性变化。同时钻孔机械散热也会改变土壤的初始温度。所有的这些都会导致测试结果与实际运行有所差别。因此,地埋管施工后,要等到土壤的温度恢复至正常水平才能进行测试,同时,在测试的时候还需要结合当地的地址气象资料确定每延米孔深的取热量和放热量。
三、地源热泵的优势与应用
3.1 地源热泵的优势
地源热泵系统冬季代替锅炉从土壤中取出热量，以30～40℃左右的热风向建筑物供暖，夏季代替普通空调向土壤挥热，地源热泵技术节能效果显著，消耗1kw能量，用户可以得到4kw以上的热量或冷量。与锅炉(电、燃料)供热系统相比。土一气型地源热泵系统的转换效率最高可达4.7，而锅炉供热只能将90%以上的电能或70%～90%的燃料内能转换为热量供用户使用，因此它要比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比燃料锅炉节省1/2以上的能量，运行费用为各种采暖设备的30%～70%。由于土壤的温度全年稳定在10～20℃之间，其制冷、制热系数可达3.5～4.7，与传统的空气源热泵(家用窗式和分体式空调、中央式风冷热泵)相比，要高出40%以上，其运行费用仅为普通中央空调的50%～60%。夏季高温差的散热和冬季低温差的取热.使得土一气型地源热泵系统换热效率很高。因此在产生同样热量或冷量时，只需小功率的压缩机就可实现.从而达到节能的目的，其耗电量仅为普通中央空调与锅炉系统的40%～60%。它不向外界排放任何废气、废水、废渣，是一种的理想的“绿色技术”。
3.2 地源热泵的应用
地源热泵因其节能环保的优势受到越来越多的关注。全国各地开始设立试点，大力开发地源热泵。冬季，地源热泵机组通过压缩机和热交换器从地下水中吸收热量，制热时出水温度最高可达90℃。沈阳世博园主体建筑之一的玫瑰园就是采用地源热泵系统。这座建筑充分利用了沈阳的浅层地下热能，保证了四季恒温，而且整个世博园内没有一根用于燃烧一次性能源的烟囱。为保证地源热泵更经济、安全，有关部门开展了相关课题的科研工作。其中，“混合式水源热泵技术”有效解决了水源热泵推广应用中可能遇到的水资源不足、布井位置受限等问题，实现了地源热泵与传统燃煤的双向互补。世博园区中几大地标性建筑——世博轴、世博中心、演艺中心和城市未来馆都采用了地源热泵系统加江水源热泵系统。世博会主办方表示，这些新型空调系统在“世博地标”中广泛应用，不仅有效地减少了中央空调冷热源系统的综合能耗，缓解城市局部区域的“热岛”效应，更将成为地源热泵未来大面积普及的催化剂。节能环保也是暖通空调行业未来的发展趋势。
四、结语
高效节能的地源热泵系统将在暖通空调系统中占有更加广阔的领域，低碳环保节能的思想将在全社会广泛推广，全社会将进入一个可持续行发展的新阶段。
参考文献
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