浅谈地源热泵系统的应用与管理

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摘要：本文阐述了地源热泵的工作原理，介绍了地源热泵系统勘察评估及运行管理要求，重点说明地下热平衡的重要性，并对浅层地热能的合理利用进行阐述。

关键字：地源热泵；浅层地热能；勘察评价；热平衡

Abstract: This paper describes a ground source heat pump works, introduced the survey and assessment of ground source heat pump system and operation management requirements, highlights the importance of underground thermal equilibrium, and described the rational utilization of shallow geothermal energy.Key words: ground source heat pump; shallow geothermal energy; survey and evaluation; thermal equilibrium

中图分类号：P314文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）03-0020-02

1、概述地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（蕴藏在浅层岩土体、地下水或地表水中的热能资源）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。如垂直埋管式地源热泵是通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在垂直埋于土壤内部的封闭环路（土壤换热器）中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。冬季通过热泵将大地中的低位热能提取出来为建筑供暖，同时储存冷能量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下，对建筑进行降温，同时储存热量，以备冬用。

随着地源热泵行业的快速发展及可再生能源应用获得的政策扶持，诸多开发商对此颇感兴趣。在节能减排的大环境下，人们对采用地源热泵表示出了浓厚的兴趣（特别是垂直埋管式地源热泵）。但对地源热泵的认识尚浅，仅把地源热泵作为一个空调产品，但地源热泵并不是一款单纯空调产品，而是一项系统工程。如果在这个基本认知上出现了偏差，自然在实际项目的选择上会出现一些问题。比如，如何选择合适的地源热泵项目，如何从鱼龙混杂的市场中挑选出适宜的产品，后期维护又应怎样解决等等。同时还需明确，一个好的地源热泵空调项目并不是传统中央空调“三分产品，七分安装”理念。在这个问题上，笔者认为合适的技术必须应用在合适的项目上，具体来说应该从经济和技术两方面考虑，而且要从整个空调系统上考虑如何匹配地源热泵技术。   

2、运行条件

就地源热泵系统本身而言.地下恒温带的岩层与含水层的环境的稳定与适中即“地下热平衡”是确保地源热泵系统长期高效、稳定、可靠、持久运行的必要与关键条件。众所周知，地下的岩土层与含水层在夏季，对于地源热泵系统来说是热泵系统运行的“冷源”在冬季是“热源”。如果我们能把在夏季向地下释放的热量与在冬季从地下吸取的热最保持相等的话，那么就能使地下岩土层与含水层的温度维持在正常范围。运行一个冬夏周期后温度保持不变，避免出现地下温度“热堆积”或“冷窟”才能保证系统的正常运行。若要满足运行的条件就需通过岩土热响应试验、地质条件勘察、环境评估、技术经济性分析和数字模拟地下温度场的长期动态变化，然后分区计算换热功率、供暖期取热量和制冷期热量计算浅层地热容量，再利用取得的上述数据进行地下热均衡评价。对于建筑冬夏负荷不平衡的项目，尚需认真考虑系统组成、前期对换热系统的勘察、使用阶段对机组进行优化群控和监测等方法来提高系统的节能性和舒适性。

地源热泵工程浅层地热能勘察评价是一个环环紧扣完整的程序，其勘察评估包括：①当地气候特征与能源供应条件、能源价格及当地政策；②拟采用的浅层地热能类型、品质及其可利用热量与利用方案；③浅层地热能开发利用的环境、卫生与安全评估；④建筑可利用浅层地热能对需求的保证率及补充能源类型；⑤浅层地热能开发利用难度、工期、成本；⑥浅层地热能开发利用寿命周期维护成本，寿命周期节能量与节省的运行费用及增量投资回收周期；⑦在以上多因素分析基础上，给出项目浅层地热能的适用性与可行性结论及浅层地热能开发利用方案。

评价浅层地热能是否达到动态平衡，论证供暖期取热量和制冷期排热量的保证温度范围，并进行浅层地热能开发的环境影响评价。只有通过浅层地热能勘察评价，取得利用与保护浅层地热资源所必需的地质资料才能减少开发风险，取得浅层地热能开发利用最大的社会经济效益和环境效益，并保证资源的可持续利用。

3、运行管理

加强和规范对地源热泵系统的运行管理，是落实前期优化设计措施、解决热平衡问题的最后环节，也是最不可忽视的一个环节。应对管理人员进行相关的培训，并制定管理规范。

“重设计施工，轻运行管理”这是目前地源热泵行业普遍存在的问题。正是由于缺乏对系统运行的后期监测和管理，很多地源热泵应用项目是否节能、节能效果究竟如何根本不清楚，也就无法对系统进行深入分析，更无法总结经验，提高技术水平。

实践表明,地源热泵系统的节能量是前期系统设计与后期运行管理综合效用的结果,但是因地源热泵尚属新型的中央空调节能系统,一般的运行管理人员对系统运行管理节能的技巧并不熟悉。因此,对已实施地源热泵项目的运行情况进行长期跟踪测试,总结常见问题,深入分析原因,并提出相应的运行管理节能措施十分必要,从而为地源热泵系统的节能运行管理提供指导。可以看出系统运行管理的科学化和系统化越发重要，同时过程也相当复杂繁琐。如地埋管地源热泵系统运行管理要求做好以下方面：①应用建筑面积在3000~5000时，宜设置温度监测井监测土壤温度的变化；应用建筑面积大于等于5000时，应设置温度监测井监测土壤温度的变化且温度监测井数量不应小于2个；②应根据全年土壤热平衡模拟计算结果或根据往年运行实测结果制定地源热泵系统全年运行预案，进行土壤热平衡控制，并保证热泵系统的运行效率；③应监测取水、排水温度、热泵机组进出口温度；④对静止水体，应监测取水口上部1~2m处水温；⑤对流动水体，应监测排水口下游侧30m处水温。

4、使用现状

近年来我国的地源热泵系统的工程建设在中央的节能减排方针的指引与推动下。在项目的数量上每年快速增长，在规模上从几万平方米至几十万平方米的中、大规模的工程增速更快。个别城市甚至在建上百万平方米的地源热泵系统的小区。这种发展形势既让业内人士高兴又令人十分担优。

在利用浅层地热能的地源热泵工程中已出现了一些问题，例如. 地源热泵或地下换热系统不能正常运转、效率降低等。应该分析区别是地源热泵技术本身的问题.还是没有按照有关技术要求设计、施工和运行出现的问题。一些地区没有进行浅层地热能的勘察评价、没有制定科学的开发方案就盲目开发等等。与此同时，只片面的认为地源热泵系统利用的“浅层地热能”是一种“取之不尽，用之不竭的可再生能源”的观点，而未考虑“冬夏取放热量相等”的前提条件和地热资源的勘察评价保护以及新技术的研究推广等配套工作支持，已导致土壤温度变化及影响正常的生态环境，违背了国家关于支持发展浅层地热能的初衷，但一直没有受到重视。

从整体上看，市场不规范，缺乏市场准入制度和科学评价体系，是制约我国地源热泵技术推广工作的最主要的因素。以牺牲质量为代价的恶性竞争出现不断加剧之势。同时，各个相邻地源热泵项目间相互产生热干扰的风险都应引起高度重视。 地源热泵技术起源于欧洲，上世纪90年代我国开始引进，目前在中国地源热泵还处于新兴行业，行业成熟程度并不高，门派多样以及不规范是存在的普遍问题。

5、管理机制

地下热平衡问题在土壤源热泵系统设计与使用过程中必须受到足够重视，一个不考虑热平衡方案的设计时一个不完善甚至冒险的设计，长期运行后不仅会出现效率地下，而且还会对生态环境造成难以预测的影响。地下热平衡问题作为土壤源热泵应用上的一个技术难题，完全可以在正确认识土壤源热泵工作原理实质的基础上，通过前期的优化设计与后期规范化的运行管理来缓解与解决，这可以通过政府主管部门的政策制度、业内的正确宣传及设计部门、施工部门与运行管理部门的共同配合来实现。

为了保护地下的地质环境和地下水资源、保护业主与用户的利益，及时地发现问题并纠正错误实现真正的可持续发展，2002年起国土资源部、国家发改委等部门及各省市陆续颁布了关于规范浅层地热能和地源热泵利用的相关文件。在当前全地源热泵系统工程建设正朝着规模化发展和区域性利用的时刻，需要主管部门对地源热泵系统工程推行与实施监测管理合鼓励研发机制。

在国家科技部、住建部的支持下，“十一五”规划就已经安排了对浅层专项研究如：地源热泵对环境的影响、节能优化方法、系统检测技术等。国家之所以不断的加大对地源热泵技术的研究和探索，是因为地源热泵技术应用可以调整我国能源结构、降低传统能源能耗符合长期能源规划战略。“十二五”规划针对目前对浅层地热能开发利用的现状和问题，再次要求综合考虑资源、地质、地下空间利用及应用条件等因素，在开展浅层地热能资源调查与评价基础上，研究开发利用管理机制，编制技术规程，稳妥积极地开展地热能开发利用。鼓励在有条件的公共建筑以及大型居住社区、商务区和新城规划建设中，科学合理地开发利用浅层地热能。可以说建筑节能取得的成效一年比一年大，但建筑节能并不能一蹴而就，需要一个漫长的过程，在这过程中需要我们共同的努力。

参考文献：

1 杨卫波.土壤源热泵系统地下热平衡问题分析.2009

2 徐伟等译.地源热泵工程技术指南.中国建筑工业出版社.2007

3 地源热泵系统工程技术规范. 中国建筑工业出版社.2009

作者简介：张磊（1985 ），男，助理工程师，注册建造师。毕业于南京工业大学建筑环境与设备工程专业，现任江苏建科建设监理有限公司监理员岗位，主要从事工程项目监理工作。