土壤源热泵系统在气象站应用前景探讨

徐东亮（黑龙江省气象局，黑龙江 哈尔滨 150001）

土壤源热泵系统在气象站应用前景探讨

徐东亮（黑龙江省气象局，黑龙江 哈尔滨 150001）

黑龙江省的陆地浅层地温能开发仍处于起步阶段。黑龙江省气象部门曾在10年以前探索水源热泵在气象站应用的试验未果。随着实践研究和应用技术的不断深入，土壤源热泵从地源热泵技术中脱颖而出，成为国家提倡推广、应用前景广阔的绿色节能技术。探索土壤源热泵系统在气象站的应用既是理论问题，也是实践问题，更是应用问题。本文通过对土壤源热泵系统的探讨，不难得出结论，土壤源热泵系统正是远离城镇无法加入集中供热气象站多年寻求的最佳供暖解决方案，可以有效解决气象站冬季供暖、夏季制冷问题，对于节约资源、节约能源、保护环境、推动“绿色台站”建设具有积极作用。

气象；地源热泵；绿色建筑；节能减排

1 引言

冬季供暖是北方城市的“刚性需求”。综合考虑供暖效果、环境保护和运行成本等因素，加入城市集中供热系统无疑是最佳选择。但气象站因气象探测环境保护需要，往往都建在远离城区的地方，不具备加入城市集中供热管网条件，供暖方式就成为不可回避的问题。

2 地源热泵系统

2.1 地源热泵系统概念与分类

地源热泵系统是以陆地浅层 （恒温带至200 m以内）岩土体、地下水或地表水为低温热源，通过热泵换热技术实现冬季供暖、夏季制冷的空调系统。

地源热泵系统（Ground-Source Heat Pump，GSHP系统）按地热能交换系统（即热汇）形式的不同可分为如下3类：

（1） 土壤源热泵系统 （Ground-Coupled Heat Pump，GCHP系统），按英译又叫做地下耦合热泵系统，也称埋管式土壤源热泵系统。《地源热泵系统工程技术规范》[1]中则用另一术语对其表述，即Ground heat exchanger，意为地下热交换器地源热泵系统。随着竖井钻掘技术的不断提高和对土壤热性能研究的不断深入，GCHP系统的应用越来越广泛。本文重点探讨GCHP系统。

（2）地下水热泵系统（Ground-Water Heat Pump，GWHP系统），又称水源热泵系统，是早期应用较多的技术，由于其未能有效解决地下水回灌问题，限制了该系统的应用推广，已经逐渐被GCHP系统所取代。

（3）地表水热泵系统（Surface-Water Heat Pump，SWHP系统）。

2.2 地源热泵系统的发展

地源热泵的概念起源于1912年的瑞士。20世纪50年代，欧洲出现了地源热泵研究的第一个高潮，美国则开始了水源热泵的应用实践，但直到20世纪70年代石油危机出现之后，地源热泵才真正受到重视，在欧洲和北美得到广泛应用，尤其是土壤源热泵系统的应用成为地源热泵应用发展的主流。

中国地源热泵研究始于20世纪80年代，经过30多年的学习研究、技术引进和消化提高取得快速发展，经历了3个阶段，即起步阶段（2001年以前）、推广阶段（2001-2004年）和快速发展阶段（2005年至今），是建设部“十一五”重点推广的节能技术。据报道[2]，2005-2010年，中国地源热泵装机容量年增46%，利用能量年均增长35%；2010-2015年，装机容量和年利用量则分别增长2.8倍和3.5倍，平均年累进增长率分别高达22%和28%。从1995年0.8兆瓦的装机容量，到2015年的1万多兆瓦，一跃成为世界浅层地热能利用量最大的国家。中国《地热能开发利用“十三五”规划》提出，“十三五”时期计划新增地源热泵应用面积7亿㎡。目前，世界地源热泵的应用主要集中在北美、欧洲和中国。

3 土壤源热泵（GCHP）系统

3.1 热泵的概念

高温物体的热量可自动传给低温物体，而低温物体的热量则不能自动传给高温物体，要把低温物体的热量传给高温物体，需要借助设备来完成，这种设备就是“热泵”。

热泵机组是地源热泵系统的重要组成部分。

3.2 GCHP系统组成及工作原理

GCHP系统由室外地埋热交换系统、热泵机组和室内空调（供暖/制冷）末端设备3个部分组成，并通过管道连接形成一个封闭的环路系统 （闭环系统）。该闭环系统依靠注入一定量的水作为换热介质 （热载体），通过水的流动循环实现与大地岩土体的热交换，达到供暖和制冷的目的。其系统组成框图如下：

GCHP系统在工作原理：在冬季，系统通过室外地埋热交换系统收集岩土体的低温热量，由环路中的循环水把热量带入热泵机组提升水温，通过室内供暖末端设备将热量送入室内，实现供暖；在夏季，系统将室内热量排入环路并通过室外地埋热交换系统由岩土体吸收，房屋得到制冷。

图1 GCHP系统组成示意图

经热泵机组提升温度的循环水，也可直接作为热水使用。因此，GCHP系统既可作为供暖、制冷的空调系统，也可直接提供生活热水。

3.3 GCHP系统的优点和不足

GCHP系统的优点很突出，主要有以下几点：

（1）节约水资源。相对于水源热泵系统，GCHP系统无需消耗地下水，则不受地下水量和状态的影响，这对地下水源既无破坏又无污染，有利于保护和节约地下水资源。

（2）利于保护环境。GCHP系统使用电力工作，不会产生灰尘、有毒（害）气体和污染排放物；无需冷却塔和外挂机，也无热岛效应和爆炸隐患，是安全、无排放的清洁能源技术。

（3）节能效果明显。当蒸发器中所处的温度在10℃左右时，能效比因系统布设地理位置的不同可达1:3-1:5，比电取暖节能70%、比燃气锅炉效率提高48%，比普通暖通空调节能40%。

（4）使用寿命较长。通常，普通空调设计寿命为10-15 a，燃煤（气）锅炉为 8-10 a，而 GCHP 系统的热泵机组寿命为15 a、地埋热交换系统寿命可达50 a，可谓一次投资，长期受益。

（5）维护成本较低。GCHP系统均采用标准部件组装，全电脑控制，运行稳定可靠，故障率低，加上节能效果明显，日常维护省心、省力、省钱。

（6）用户体验较好。相对于传统燃煤供暖，GCHP系统无需建设锅炉房和烟筒，无需买煤和储煤场地，无需特殊工种人员，尤其是提供的制冷和供暖效果接近于自然风状态，体感舒适。

当然，GCHP系统也存在不足，一是需要一定面积的热交换场地，且对地埋管技术要求较高；二是初期建设投入较高，成为系统快速普及的主要制约因素。

4 土壤源热泵（GCHP）系统效益评估

地源热泵系统的造价由机房、打井地埋管和风机盘管工程3个部分构成。在估算造价时，通常是将3个部分分别列出工程量清单，再分项估算汇总，往往比较复杂，不够方便快捷。在项目立项阶段，希望有一种简便直接的估算方法，通常以单位面积造价经验值来估算工程总造价。在黑龙江，对于新建用房安装GCHP系统，单价可按450元/㎡估算，旧用房因涉及管网等改造造价将更高。

据此，可估算出新建1200㎡建筑面积用房，安装GCHP系统大约需要54万元投资。

假设：以哈尔滨1200㎡建筑面积为例，冬季室内设计温度为20-22℃、夏季室内设计温度为24-26℃；商用电价取1.00元/KW·h；在最大能耗取70 W/㎡、系统能效比取1:3.5的条件下，设备总功率为22.6 KW、水泵容量为2 KW。

4.1 冬季运行费用估算

假设：采暖期180 d，设备日工作时间12 h、冬季平均运行系数取0.65。每单位面积供热价格（热价）采用如下公式估算：

热价＝（设备总功率＋水泵容量）×设备日工作时间×供暖期×运行系数×电价÷建筑面积

＝（22.6＋2） KW×12 h/d×180d×0.65×1.00 元/KW·h÷1200 ㎡＝28.78 元/㎡

GCHP系统年供暖费＝热价×建筑面积＝28.78元/㎡×1200㎡＝34536.00元。

哈尔滨市现行非居民供热价格为43.30元/㎡（按使用面积收费），则所需热费：

集中供热年使用费＝热价×建筑面积÷1.45＝43.30元/㎡×1200 ㎡÷1.45＝35834.48元。

可见，使用GCHP系统供暖具有一定的经济效益。若今后国家出台政策，将使用GCHP系统的商用电价优惠成民用电价 （哈尔滨为0.51元/KW·h），或系统的效率做得更高，则其经济效益将更可观。

4.2 夏季运行费用估算

制冷天数60 d，设备日工作时间8 h、夏季机组运行系数取0.5。每单位面积制冷价格（冷价）采用如下公式估算：

冷价＝（设备总功率＋水泵容量）×设备日工作时间×制冷天数×运行系数×电价÷建筑面积

＝（22.6＋2） KW×8 h/d×60 d×0.5×1.00 元/KW·h÷1200 ㎡＝4.92元/㎡

GCHP系统年制冷费＝冷价×建筑面积＝4.92元/㎡×1200㎡＝5904.00元。

可见，GCHP系统在北方应用，其制冷效率远高于供暖效率。

GCHP系统年使用费＝年供暖费＋年制冷费＝34538.4元＋5904.00元＝40442.40元。

5 技术问题探讨

5.1 土壤热平衡问题

北方地区以供暖为主，而南方地区则以制冷为主。如哈尔滨，冬季供暖期6个月（每年10月20日至次年4月20日），夏季制冷期2个月；石家庄供暖期4.5个月 （每年11月15日至次年3月31日），制冷期4个月。GCHP系统的热交换是在地下进行的，即通过打井来实现热量传输和交换。在北方地区，冬天将从土壤中大量吸热，而夏天向土壤中注入的热量明显少于冬天的吸热，长年运行有可能导致土壤温度失衡，影响周围生态。而在南方则情况正好相反。理论上讲，只有在石家庄、郑州等中原地区，地源热泵系统的运行才能近似保持土壤的热平衡。因此，在北方地区要尽可能加大热交换场地的体量，以最大限度地减少土壤温度失衡，确保地源热泵系统能够保持长期稳定可靠运行，真正发挥建设效益。

5.2 热交换场地问题

根据GCHP系统的工作原理和应用实践证明，热交换场地的选择、设计与施工是决定地源热泵系统建设成败的关键，没有足够的场地就不能很好地实现热量交换，系统就会无法正常运行。为确保实现系统设计技术指标并达到土壤热平衡要求，所打竖井的布局、井间距和井深“三要素”必须精心考量。竖井布局既要因地制宜，又要合理，例如某系统需要打井20眼，是采取2×10还是4×5布局，其遵循的原则是，只要场地允许，应优先考虑2×10方案，这对于气象站来说恰恰有场地优势是不成问题的；井间距按规范在4-6 m间取值，只要场地允许，应优先考虑取值上限；打井深度应超过100 m，井越深对于保证热源供给、减少土壤温度失衡越有利，这对高寒地区尤为重要。为确保系统建成后能用、好用、耐用，建议在黑龙江省打井深度宜在150 m左右。

5.3 地质勘察问题

GCHP系统在方案设计前，应对工程场区内岩土体地质条件进行勘察，勘察内容包括工程场区布局情况，以及在此布局下岩土层的结构、岩土体热物性、岩土体温度、地下水静水位与水温和水质及分布、地下水径流方向和速度、冻土层厚度，有条件的地方宜进行导热测试。通过岩土勘察分析和导热测试，来判断方案的可行性，以有效减少GCHP系统设计与应用的盲目性和随意性，增加科学性与可靠性。

5.4 地埋管材料问题

GCHP系统地埋热交换部分在室外地下，且较深，一旦损坏维修困难。因此，在选材上，地埋管应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的聚乙烯（PE80或 PE100）或聚丁烯（PB）管，不宜采用聚氯乙烯（PVC）管，且管材与管件材质应相同，同时地埋管所用原材料应是原生料而非再生料；在技术上，管材的公称压力应不小于1.0 MPa，管材连接用热熔或电熔方式，保证连接的可靠。

5.5 设计施工问题

GCHP系统尤其是热交换场地对设计、施工和施工现场管理要求较高，需要有地源热泵专业知识和实践经验的技术人员和专业施工队伍进行设计和施工才能确保工程质量，一旦设计施工出现问题，轻者影响系统的正常使用或达不到设计要求，重者有可能造成整个系统报废无法使用。

6 结论

（1）地源热泵系统在原理上有理论依据，在实践上有应用基础，在技术上已比较成熟，适用于无法接入城市集中供热系统、或受条件限制不能用煤、电、燃气进行采暖的地区使用，尤其适合远离城市、又有场地保障的气象站使用。

（2）地源热泵系统不仅可用于冬天供暖，也可用于夏天制冷，属于中央空调系统；还可以提供生活热水，实现一机三用。

（3）地源热泵系统的建设能否成功的技术关键，是热交换场地的选择、设计与施工。气象站占地面积较大，有足够的土地提供系统所需的热交换场地。设计时重在合理布局地埋管，高寒地区的气象站，井深应超过100 m，最好能到150 m。

（4）地源热泵系统初期投资较高，但运行维护成本较低（在哈尔滨6个月供暖、2个月制冷，1200㎡用房全年运行费约4万元），长期使用节约的费用可摊薄初期建设投资。

（5）地源热泵系统得到国家产业政策的支持，预计到2020年中国地源热泵年利用量有望占到全球的一半，是“十三五”时期重点发展的地热能技术，具有较好的节能减排效益，是“绿色台站”建设中供暖系统的最佳解决方案，值得在气象站推广应用。

[1]GB 50366-2009.《地源热泵系统工程技术规范》[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2]苏南.地源热泵产业驶入快车道[N].中国能源报,2016-08-22.

1002－252X(2017)03－0021－04

2017－6－1

徐东亮（1962-），男，重庆市云阳县人，成都信息工程大学，本科生，高级工程师.