土壤源热泵技术实际应用中的经验分析

纪怀忠

(山西国瑞房地产开发有限公司，山西太原 030006)

土壤源热泵是利用地下常温土壤温度相对恒定的特性，通过深埋于建筑物周围的密闭管路系统与建筑物内部完成能量交换的空调系统，可以实现冬季从土壤中取热通过热泵机组向建筑物供暖，夏季将建筑物内的热量排放到土壤中，从而使建筑物降温达到制冷的目的，它以土壤作为热源和冷源，通过高效热泵机组向建筑物供热、供冷和提供生活热水实现三联供。高效热泵机组的能效比一般能达到4.0 kW/kW以上，与传统的冷水机组加锅炉的配置相比，全年能耗可节省40%左右，此项技术初投资偏高，较冷水机组加锅炉配置和直燃机配置造价高出2倍左右，供冷时，省去了冷却塔，避免了冷却塔的噪声及霉菌污染，可节约用水量，运行费用低，不产生任何废渣、废水、烟尘，节能环保，可实现有害气体零排放，属清洁能源，环境效益显著，在北方地区有广阔的利用空间。拿某公司开发的住宅小区实际应用情况分析来看，应用土壤源热泵技术还有其一定的局限性，前期调研工作和相关对土壤的实验工作不可缺少，要研究分析并将其融合到设计方案中，地埋管换热器设计计算是地源热泵系统设计所特有的内容，由于地埋管换热器换热效果受岩土体热物性及地下水流动情况等地质条件影响非常大，为保证地埋管换热器设计符合实际，满足使用要求，设计前应充分考虑建筑周边情况，根据工程勘察结果评估地埋管工程的可行性与经济性、地下水位情况以及建筑容积率和建筑密度等影响。下面我将从几个方面分别剖析。

1 土壤源热泵技术的适用条件

其适合在北方地区且需要冬季供暖、夏季制冷同时使用的场所，比如宾馆、写字楼、商场等采用中央空调系统来采暖制冷，虽然冬季从大地土壤中持续取热约5个月，使土壤暂时损失热量，但在第二年的春、夏季间歇期可以从土壤源外围的大地缓慢给其补充热量。但由于间歇时间短，往往不能达到其正常的能量状态，以确保为下一采暖季的正常使用提供充足的能量，因此，就必须在夏季制冷时将建筑物的热量带回到大地中去，继续给土壤补热，虽然制冷时间约3个月，比采暖季短2个月，但加上土壤外围的自然补热，还是能保证土壤恒温的基本需求。另外，土壤源热泵技术也适用在低建筑密度、低容积率场所使用。比如，安装使用中央空调的别墅，其所服务的建筑物面积较小，但土壤源地埋管占地面积大，土壤源区域大地热量充足，这样使用效果自然会很好。最不适用的场所是高容积率、高密度的住宅小区，且建筑物未安装中央空调，或安装了中央空调而住户不常使用，这样的情况是所有不利条件叠加在一起，由于夏季不能很好的给大地土壤补热，而冬天又持续抽取土壤内大量的热量，而大地的热量因建筑密度大而又不太充足，周边土壤补热较慢，会直接导致冬季采暖效果极差，往往是前面一两个月还勉强可以使用，但随后就从大地中抽取不了足够的热量来满足地源热泵主机正常启动，进而使冬季采暖失败。因此，我们说土壤源热泵技术并不是适合所有建筑物，而需要因地适宜地选择性使用。

2 土壤源热泵技术初投资大的几个组成部分

首先是前期调研、勘察、试验、论证费用的投入，其次是土壤源地埋管施工及配套土建工程费用、热泵机房及设备的组成费用以及供电费用，其中相比传统供热方式最大的一项费用就是供电量增容费用，由于土壤源热泵机组的用电负荷极大，每台约需500 kW～600 kW，因此供电负荷来源审批以及费用都是前期论证阶段要充分考虑的因素。

3 有待解决的部分技术问题

1)如果换热器埋深过浅，由于土壤上边部分是变温层，变温在整个埋管深度方向所占的比例大一些，可能会对换热的效果有影响。如埋地过深，超过150 m，换热量提升会很小，满足不了换热要求，不但会增加开挖工程量、增加钻井难度进而增加工程造价，而且运行检修也比较麻烦。所以要进一步研究换热器埋深与土壤及地下水之间的关系。2)地下水对地埋管的影响。因土壤中大量的酸碱成分与地下水交融，对金属地埋管的腐蚀作用很大，现规范大多采用的地埋管为聚乙烯(PE)管，聚乙烯(PE)管是一种热塑性材料，管材本身具有发生蠕变和应力松弛的特性，传热性能也会受到很大削弱。因此，应针对不同的土壤类型研制与之相匹配的埋管材料和专用防腐剂。3)由于土壤的传热系数相比敷设埋地换热器要小的多，所以会造成材料的大量消耗，因此选择使用的经济性需进一步分析。目前因土壤与埋地换热器之间的换热机理还不十分明确，埋地换热器的敷设方式与地源热泵系统的匹配还需进一步探讨。

4 土壤源热泵技术合理使用技巧

为防止大地能量不能持续稳定供给，我们可以在设计阶段考虑匹配一定数量的配套辅助热源。比如:燃气锅炉可以应急，也可在实际使用过程中让土壤源热泵和燃气锅炉配合使用，利用峰谷电价差别的这一有利条件，在夜间电价低位期间，用土壤源热泵机组供暖;白天电价高位时，使用燃气锅炉供暖;夜间让大地能量有休整补充的余地，这样可以保证使用效果，并且降低运行成本费用。另外，将机组内部及机组与系统进行自动化控制，可根据室外温度变化及室内温度要求控制机组启停，并控制机组出水温度和回水温度，达到最佳节能效果，同时节省了人力、物力，也可降低运行费用。

5 结语

土壤源热泵是利用地下土壤能源资源来进行供暖制冷的一种高效、节能、环保型空调技术，属可再生能源利用技术，对其的研究已越来越受到重视，随着人们节能环保意识的提高，土壤源热泵技术日益成熟，在我国的北部地区可因地制宜选择性使用，其夏季制冷效果尤其突出，且夏季制冷的运行成本相比其他制冷方式更低，冬季供暖比燃气锅炉和直燃机供暖成本低，而略高于集中供热运行成本，但因其初投资较大，为达到广泛推广，实现环境效益，利国利民的目的，应得到政府相关优惠政策的支持。