地埋管地源热泵系统在上海地区的适用性探讨

■ 王 颖 Wang Ying

0 引言

自2005年颁布《中华人民共和国可再生能源法》以来，地源热泵系统作为建筑可再生能源利用的一种形式，近10年在上海市有较广泛的应用。十一五期间，上海市实现了新增浅层地能（包括地表水和土壤能）建筑应用面积241.7万m2，十二五又提出了实现新增浅层地能（包括地表水和土壤能）建筑应用面积400万m2的建筑节能目标。

为了更好地了解地埋管地源热泵系统的实际应用情况，笔者通过对上海市20个地埋管地源热泵系统建筑应用示范项目的后评估调研，总结其成功经验和失败教训，为后续项目的实施提供参考。

1 优势所在

通过对项目的实地调研和分析，笔者发现地埋管地源热泵系统在实际运行中的节能、环保效益与项目初期理论分析、设计初衷有非常高的一致性，虽然与其它系统相比会产生一定的初投资，但在系统正常运行的情况下，5～10年基本可收回成本。根据调研项目的实际情况，可总结出地埋管地源热泵系统建筑应用具有以下5点优势。

（1）在冬季制热及制备生活热水方面，较传统的锅炉系统节能优势明显。根据建筑类型和建筑规模不同，年可节约能源20%～40%左右，此方面得到项目用户的一致认可。

（2）夏季制冷方面，虽与传统冷水机组+冷却塔系统相比节能优势较小，但有其独特的环境效应，如无冷却塔噪声和漂水。与风冷热泵相比，无任何室外机，可作为历史保护建筑、展馆建筑等的一种能源选择，在最大程度保留建筑原有风貌、尊重建筑师创作初衷的同时，又提高了室内舒适度。

（3）可结合合同能源管理的方式，对旧建筑进行冷热源系统改造。如上海市上世纪八九十年代建造的旅馆项目，多采用燃煤锅炉+溴化锂制冷机组的方式，机组的寿命已经到达极限，对其实施改造后，不但可节省大量的机房空间，而且减少了锅炉、冷却塔等对周围环境及居民的影响。图1、2为某宾馆项目改造前后的机房对比图。

图1 某宾馆项目改造前机房

图2 某宾馆项目改造后机房

（4）对于住宅项目，采用地埋管地源热泵系统为其末端形式的多样化提供了可能。如采用风机盘管、辐射地板采暖等高舒适末端，以提高住宅建筑的室内舒适度及品质，同时免去室外机的困扰，是一些高档社区、低密度别墅的较佳选择。

（5）可结合冷凝热回收的形式，为夏季生活热水提供“免费”热源，适宜于住宅、宾馆等生活热水需求量较大的建筑类型。

2 问题分析

地埋管地源热泵系统作为可再生能源的一种形式，其节能效益是毋庸置疑的，但是由于该系统较传统设计的创新性，以及地下土壤性能的复杂性，导致我们在地源热泵探索应用的这10年中也碰到了一些问题，主要归结为以下3个方面。

2.1 未考虑土壤热平衡

早期的地源热泵系统应用项目多数未安装冷、热量计量装置，未考虑土壤冷热平衡及土壤温度恢复问题，导致系统衰减严重。多项研究表明埋管数量较少时，可以通过适当增加埋管数量，依靠地温的恢复能力实现地温的平衡；但当埋管数量较多时，地温平衡主要决定于地下释热量和吸热量的相对平衡。因此，务必要有可靠的措施，使土壤的冷热平衡度达到较高的水平，才能保证系统长期稳定地运行[1][2]。近几年的地源热泵系统，一般都会采用复合系统设计，并安装有冷热量计量装置，这为土壤的热平衡提供了基础。但更重要的是，需要在运行过程中，通过对土壤取热、排热量的监测，实时关注不平衡率，并据此及时调整系统的调峰运行模式，这对我们的物业运营管理提出了更高的要求。

对于埋管数量较多的系统，还应设置有效的土壤温度监测装置。由于此装置并非强制要求，因此在调研的项目中均未安装。对于这点，我们应该要意识到：如果不关注土壤的温度变化，可能在最初运行的几年里，系统还可以正常运转；但随着土壤温度的升高，制冷能力将逐渐衰退，严重的可能丧失制冷能力，导致不得不更换系统，造成更大的浪费。从某种意义上讲，地埋管系统本身能够按照设计年限50年来长期高效运行，便是最大的节约能源。

2.2 夏季地埋管侧换热不足

调研中，多个项目夏季地埋管侧的换热量不足，有的甚至出现2台地源热泵机组在高温季节只能开启1台的现象；如果同时开启2台，冷却水水温会过高，导致机组过电保护而停机。经分析，造成这种情况的原因主要有以下2点。

（1）由于土壤吸热、释热量不平衡所致。夏热冬冷地区，多数项目夏季向土壤的释热量要大于冬季从土壤的吸热量，长此以往，土壤的温度将呈现逐年上升的趋势，此趋势严重影响机组夏季的换热效率，但可以提高冬季系统的效率，即对夏季不利，冬季有利。

（2）由于对地埋管的换热能力预估不准确所致。通常，由岩土热响应实验得出的地埋管夏季单位长度换热量设计取值为60～70W/m，冬季单位长度换热量设计取值为40～50W/m，该取值是在2个测试孔连续运行48h的条件下测试得出的。然而，实际项目的钻孔数量少则上百，多则上千，且有些项目全天24h连续运行，很可能导致以下两种偏差：一是位于内区的换热孔实际换热能力将低于测试值；二是由于连续向土壤放热，使得土壤温度发生改变，导致换热效率低于测试值。因此，测试值（设计值）与实际值之间存在一定的偏差，一般项目偏差约为30%，24h运行的项目偏差可达50%。建议一般项目应在上述取值基础上按0.7进行修正，而24h运行的项目应在上述取值基础上按0.5进行修正，以保证该系统在整个制冷季能有足够的冷量供给。

2.3 系统形式选取不合理

系统形式选取不合理的现象主要为个别住宅项目。从负荷特性方面讲，住宅是非常适宜应用地源热泵系统的，其冷热平衡较宜满足；但应谨慎采用主机、水泵集中式系统。由于住宅的入住率难以控制，采用集中式系统可能导致系统常年低负荷征及规模谨慎论证、科学设计、专业运管，才能发挥其节能的最大效用。以下是笔者的几点适用性建议。

（1）空调热负荷相对较大并有较多热水需求的宾馆、医院病房、低层住宅等建筑，较适宜采用地源热泵系统。该类型的建筑热负荷较大，节能效果显著，投资回收周期较短，但应考虑其24h运行的特点，进行复合式地源热泵系统设计，每日采用间歇运行的模式。例如：在夜间室外温度较低时，启动冷却塔，使地埋管换热器停止运行，使得土壤温度、供回水温度得到有效恢复，保证夏季制冷效率，以利于长期运行。运转，系统效率低下。 应选用每户拥有独立主机及水泵的分散式系统，但埋管可集中布置。 图3、4为采用此系统并运行良好的某别墅小区实拍图。

图3 某别墅小区室外实拍图

3 适用建筑类型

无论从气候属性、资源禀赋方面，还是从土壤特征方面，上海地区都较适用地埋管地源热泵系统，但应就建筑特

图4 户内机房实拍图

（2）办公建筑适宜采用地源热泵系统，虽然投资回收周期可能较宾馆等项目长，但其8h运行的特点为地源热泵系统长期高效率的运行创造了条件。

（3）大型商业类建筑内区较多，冷热负荷不平衡问题严重，地埋管地源热泵系统不宜作为主要冷热源，但可作为水源热泵等的辅助形式。

（4）在负荷不平衡的工况下，地埋管换热器运行多年后，出水温度的恶化程度会随着管井数量的增大而增大。因此，无论何种类型的建筑，当集中埋管管井数量超过1 000口时，都应谨慎论证，并在运营期间最大程度地保证冷热量平衡，延长系统的有效运行时间。

4 结论

近10年来，在建筑法规、政府补贴、绿色建筑等措施的引导下，地埋管地源热泵系统在上海得到了非常快速的发展，但同时也显现出很多配套能力的不足，导致地源热泵系统的节能潜力没有完全发挥出来。后续项目的开展需要我们对设计、施工、运营管理都提出更高的要求，尤其是运营管理人员，其职责已不仅仅是某个季节系统的正常运行，更多的是要关注运行数据，并对其进行计算分析，保证系统长期有效地运行，将系统节能率最大化，以发挥地源热泵应有的优势。

参考文献：

[1]郝赫,张素芳．负荷平衡度对地源热泵系统的影响 [J]． 暖 通空调 ,2014,44(2)：51-54．

[2]陆游,王恩宇,杨久顺等．地源热泵系统土壤温度变化的影响因素分析[J]．河北工业大学学报 ,2015,44(1)：66-72．