徐東亮（黑龍江省氣象局，黑龍江 哈爾濱 150001）

土壤源熱泵系統(tǒng)在氣象站應用前景探討

徐東亮（黑龍江省氣象局，黑龍江 哈爾濱 150001）

黑龍江省的陸地淺層地溫能開發(fā)仍處于起步階段。黑龍江省氣象部門曾在10年以前探索水源熱泵在氣象站應用的試驗未果。隨著實踐研究和應用技術的不斷深入，土壤源熱泵從地源熱泵技術中脫穎而出，成為國家提倡推廣、應用前景廣闊的綠色節(jié)能技術。探索土壤源熱泵系統(tǒng)在氣象站的應用既是理論問題，也是實踐問題，更是應用問題。本文通過對土壤源熱泵系統(tǒng)的探討，不難得出結論，土壤源熱泵系統(tǒng)正是遠離城鎮(zhèn)無法加入集中供熱氣象站多年尋求的最佳供暖解決方案，可以有效解決氣象站冬季供暖、夏季制冷問題，對于節(jié)約資源、節(jié)約能源、保護環(huán)境、推動“綠色臺站”建設具有積極作用。

氣象；地源熱泵；綠色建筑；節(jié)能減排

1 引言

冬季供暖是北方城市的“剛性需求”。綜合考慮供暖效果、環(huán)境保護和運行成本等因素，加入城市集中供熱系統(tǒng)無疑是最佳選擇。但氣象站因氣象探測環(huán)境保護需要，往往都建在遠離城區(qū)的地方，不具備加入城市集中供熱管網(wǎng)條件，供暖方式就成為不可回避的問題。

2 地源熱泵系統(tǒng)

2.1 地源熱泵系統(tǒng)概念與分類

地源熱泵系統(tǒng)是以陸地淺層 （恒溫帶至200 m以內(nèi)）巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，通過熱泵換熱技術實現(xiàn)冬季供暖、夏季制冷的空調系統(tǒng)。

地源熱泵系統(tǒng)（Ground-Source Heat Pump，GSHP系統(tǒng)）按地熱能交換系統(tǒng)（即熱匯）形式的不同可分為如下3類：

（1） 土壤源熱泵系統(tǒng) （Ground-Coupled Heat Pump，GCHP系統(tǒng)），按英譯又叫做地下耦合熱泵系統(tǒng)，也稱埋管式土壤源熱泵系統(tǒng)?！兜卦礋岜孟到y(tǒng)工程技術規(guī)范》[1]中則用另一術語對其表述，即Ground heat exchanger，意為地下熱交換器地源熱泵系統(tǒng)。隨著豎井鉆掘技術的不斷提高和對土壤熱性能研究的不斷深入，GCHP系統(tǒng)的應用越來越廣泛。本文重點探討GCHP系統(tǒng)。

（2）地下水熱泵系統(tǒng)（Ground-Water Heat Pump，GWHP系統(tǒng)），又稱水源熱泵系統(tǒng)，是早期應用較多的技術，由于其未能有效解決地下水回灌問題，限制了該系統(tǒng)的應用推廣，已經(jīng)逐漸被GCHP系統(tǒng)所取代。

（3）地表水熱泵系統(tǒng)（Surface-Water Heat Pump，SWHP系統(tǒng)）。

2.2 地源熱泵系統(tǒng)的發(fā)展

地源熱泵的概念起源于1912年的瑞士。20世紀50年代，歐洲出現(xiàn)了地源熱泵研究的第一個高潮，美國則開始了水源熱泵的應用實踐，但直到20世紀70年代石油危機出現(xiàn)之后，地源熱泵才真正受到重視，在歐洲和北美得到廣泛應用，尤其是土壤源熱泵系統(tǒng)的應用成為地源熱泵應用發(fā)展的主流。

中國地源熱泵研究始于20世紀80年代，經(jīng)過30多年的學習研究、技術引進和消化提高取得快速發(fā)展，經(jīng)歷了3個階段，即起步階段（2001年以前）、推廣階段（2001-2004年）和快速發(fā)展階段（2005年至今），是建設部“十一五”重點推廣的節(jié)能技術。據(jù)報道[2]，2005-2010年，中國地源熱泵裝機容量年增46%，利用能量年均增長35%；2010-2015年，裝機容量和年利用量則分別增長2.8倍和3.5倍，平均年累進增長率分別高達22%和28%。從1995年0.8兆瓦的裝機容量，到2015年的1萬多兆瓦，一躍成為世界淺層地熱能利用量最大的國家。中國《地熱能開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》提出，“十三五”時期計劃新增地源熱泵應用面積7億㎡。目前，世界地源熱泵的應用主要集中在北美、歐洲和中國。

3 土壤源熱泵（GCHP）系統(tǒng)

3.1 熱泵的概念

高溫物體的熱量可自動傳給低溫物體，而低溫物體的熱量則不能自動傳給高溫物體，要把低溫物體的熱量傳給高溫物體，需要借助設備來完成，這種設備就是“熱泵”。

熱泵機組是地源熱泵系統(tǒng)的重要組成部分。

3.2 GCHP系統(tǒng)組成及工作原理

GCHP系統(tǒng)由室外地埋熱交換系統(tǒng)、熱泵機組和室內(nèi)空調（供暖/制冷）末端設備3個部分組成，并通過管道連接形成一個封閉的環(huán)路系統(tǒng) （閉環(huán)系統(tǒng)）。該閉環(huán)系統(tǒng)依靠注入一定量的水作為換熱介質 （熱載體），通過水的流動循環(huán)實現(xiàn)與大地巖土體的熱交換，達到供暖和制冷的目的。其系統(tǒng)組成框圖如下：

GCHP系統(tǒng)在工作原理：在冬季，系統(tǒng)通過室外地埋熱交換系統(tǒng)收集巖土體的低溫熱量，由環(huán)路中的循環(huán)水把熱量帶入熱泵機組提升水溫，通過室內(nèi)供暖末端設備將熱量送入室內(nèi)，實現(xiàn)供暖；在夏季，系統(tǒng)將室內(nèi)熱量排入環(huán)路并通過室外地埋熱交換系統(tǒng)由巖土體吸收，房屋得到制冷。

圖1 GCHP系統(tǒng)組成示意圖

經(jīng)熱泵機組提升溫度的循環(huán)水，也可直接作為熱水使用。因此，GCHP系統(tǒng)既可作為供暖、制冷的空調系統(tǒng)，也可直接提供生活熱水。

3.3 GCHP系統(tǒng)的優(yōu)點和不足

GCHP系統(tǒng)的優(yōu)點很突出，主要有以下幾點：

（1）節(jié)約水資源。相對于水源熱泵系統(tǒng)，GCHP系統(tǒng)無需消耗地下水，則不受地下水量和狀態(tài)的影響，這對地下水源既無破壞又無污染，有利于保護和節(jié)約地下水資源。

（2）利于保護環(huán)境。GCHP系統(tǒng)使用電力工作，不會產(chǎn)生灰塵、有毒（害）氣體和污染排放物；無需冷卻塔和外掛機，也無熱島效應和爆炸隱患，是安全、無排放的清潔能源技術。

（3）節(jié)能效果明顯。當蒸發(fā)器中所處的溫度在10℃左右時，能效比因系統(tǒng)布設地理位置的不同可達1:3-1:5，比電取暖節(jié)能70%、比燃氣鍋爐效率提高48%，比普通暖通空調節(jié)能40%。

（4）使用壽命較長。通常，普通空調設計壽命為10-15 a，燃煤（氣）鍋爐為 8-10 a，而 GCHP 系統(tǒng)的熱泵機組壽命為15 a、地埋熱交換系統(tǒng)壽命可達50 a，可謂一次投資，長期受益。

（5）維護成本較低。GCHP系統(tǒng)均采用標準部件組裝，全電腦控制，運行穩(wěn)定可靠，故障率低，加上節(jié)能效果明顯，日常維護省心、省力、省錢。

（6）用戶體驗較好。相對于傳統(tǒng)燃煤供暖，GCHP系統(tǒng)無需建設鍋爐房和煙筒，無需買煤和儲煤場地，無需特殊工種人員，尤其是提供的制冷和供暖效果接近于自然風狀態(tài)，體感舒適。

當然，GCHP系統(tǒng)也存在不足，一是需要一定面積的熱交換場地，且對地埋管技術要求較高；二是初期建設投入較高，成為系統(tǒng)快速普及的主要制約因素。

4 土壤源熱泵（GCHP）系統(tǒng)效益評估

地源熱泵系統(tǒng)的造價由機房、打井地埋管和風機盤管工程3個部分構成。在估算造價時，通常是將3個部分分別列出工程量清單，再分項估算匯總，往往比較復雜，不夠方便快捷。在項目立項階段，希望有一種簡便直接的估算方法，通常以單位面積造價經(jīng)驗值來估算工程總造價。在黑龍江，對于新建用房安裝GCHP系統(tǒng)，單價可按450元/㎡估算，舊用房因涉及管網(wǎng)等改造造價將更高。

據(jù)此，可估算出新建1200㎡建筑面積用房，安裝GCHP系統(tǒng)大約需要54萬元投資。

假設：以哈爾濱1200㎡建筑面積為例，冬季室內(nèi)設計溫度為20-22℃、夏季室內(nèi)設計溫度為24-26℃；商用電價取1.00元/KW·h；在最大能耗取70 W/㎡、系統(tǒng)能效比取1:3.5的條件下，設備總功率為22.6 KW、水泵容量為2 KW。

4.1 冬季運行費用估算

假設：采暖期180 d，設備日工作時間12 h、冬季平均運行系數(shù)取0.65。每單位面積供熱價格（熱價）采用如下公式估算：

熱價＝（設備總功率＋水泵容量）×設備日工作時間×供暖期×運行系數(shù)×電價÷建筑面積

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

GCHP系統(tǒng)年供暖費＝熱價×建筑面積＝28.78元/㎡×1200㎡＝34536.00元。

哈爾濱市現(xiàn)行非居民供熱價格為43.30元/㎡（按使用面積收費），則所需熱費：

集中供熱年使用費＝熱價×建筑面積÷1.45＝43.30元/㎡×1200 ㎡÷1.45＝35834.48元。

可見，使用GCHP系統(tǒng)供暖具有一定的經(jīng)濟效益。若今后國家出臺政策，將使用GCHP系統(tǒng)的商用電價優(yōu)惠成民用電價 （哈爾濱為0.51元/KW·h），或系統(tǒng)的效率做得更高，則其經(jīng)濟效益將更可觀。

4.2 夏季運行費用估算

制冷天數(shù)60 d，設備日工作時間8 h、夏季機組運行系數(shù)取0.5。每單位面積制冷價格（冷價）采用如下公式估算：

冷價＝（設備總功率＋水泵容量）×設備日工作時間×制冷天數(shù)×運行系數(shù)×電價÷建筑面積

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

GCHP系統(tǒng)年制冷費＝冷價×建筑面積＝4.92元/㎡×1200㎡＝5904.00元。

可見，GCHP系統(tǒng)在北方應用，其制冷效率遠高于供暖效率。

GCHP系統(tǒng)年使用費＝年供暖費＋年制冷費＝34538.4元＋5904.00元＝40442.40元。

5 技術問題探討

5.1 土壤熱平衡問題

北方地區(qū)以供暖為主，而南方地區(qū)則以制冷為主。如哈爾濱，冬季供暖期6個月（每年10月20日至次年4月20日），夏季制冷期2個月；石家莊供暖期4.5個月 （每年11月15日至次年3月31日），制冷期4個月。GCHP系統(tǒng)的熱交換是在地下進行的，即通過打井來實現(xiàn)熱量傳輸和交換。在北方地區(qū)，冬天將從土壤中大量吸熱，而夏天向土壤中注入的熱量明顯少于冬天的吸熱，長年運行有可能導致土壤溫度失衡，影響周圍生態(tài)。而在南方則情況正好相反。理論上講，只有在石家莊、鄭州等中原地區(qū)，地源熱泵系統(tǒng)的運行才能近似保持土壤的熱平衡。因此，在北方地區(qū)要盡可能加大熱交換場地的體量，以最大限度地減少土壤溫度失衡，確保地源熱泵系統(tǒng)能夠保持長期穩(wěn)定可靠運行，真正發(fā)揮建設效益。

5.2 熱交換場地問題

根據(jù)GCHP系統(tǒng)的工作原理和應用實踐證明，熱交換場地的選擇、設計與施工是決定地源熱泵系統(tǒng)建設成敗的關鍵，沒有足夠的場地就不能很好地實現(xiàn)熱量交換，系統(tǒng)就會無法正常運行。為確保實現(xiàn)系統(tǒng)設計技術指標并達到土壤熱平衡要求，所打豎井的布局、井間距和井深“三要素”必須精心考量。豎井布局既要因地制宜，又要合理，例如某系統(tǒng)需要打井20眼，是采取2×10還是4×5布局，其遵循的原則是，只要場地允許，應優(yōu)先考慮2×10方案，這對于氣象站來說恰恰有場地優(yōu)勢是不成問題的；井間距按規(guī)范在4-6 m間取值，只要場地允許，應優(yōu)先考慮取值上限；打井深度應超過100 m，井越深對于保證熱源供給、減少土壤溫度失衡越有利，這對高寒地區(qū)尤為重要。為確保系統(tǒng)建成后能用、好用、耐用，建議在黑龍江省打井深度宜在150 m左右。

5.3 地質勘察問題

GCHP系統(tǒng)在方案設計前，應對工程場區(qū)內(nèi)巖土體地質條件進行勘察，勘察內(nèi)容包括工程場區(qū)布局情況，以及在此布局下巖土層的結構、巖土體熱物性、巖土體溫度、地下水靜水位與水溫和水質及分布、地下水徑流方向和速度、凍土層厚度，有條件的地方宜進行導熱測試。通過巖土勘察分析和導熱測試，來判斷方案的可行性，以有效減少GCHP系統(tǒng)設計與應用的盲目性和隨意性，增加科學性與可靠性。

5.4 地埋管材料問題

GCHP系統(tǒng)地埋熱交換部分在室外地下，且較深，一旦損壞維修困難。因此，在選材上，地埋管應采用化學穩(wěn)定性好、耐腐蝕、導熱系數(shù)大、流動阻力小的聚乙烯（PE80或 PE100）或聚丁烯（PB）管，不宜采用聚氯乙烯（PVC）管，且管材與管件材質應相同，同時地埋管所用原材料應是原生料而非再生料；在技術上，管材的公稱壓力應不小于1.0 MPa，管材連接用熱熔或電熔方式，保證連接的可靠。

5.5 設計施工問題

GCHP系統(tǒng)尤其是熱交換場地對設計、施工和施工現(xiàn)場管理要求較高，需要有地源熱泵專業(yè)知識和實踐經(jīng)驗的技術人員和專業(yè)施工隊伍進行設計和施工才能確保工程質量，一旦設計施工出現(xiàn)問題，輕者影響系統(tǒng)的正常使用或達不到設計要求，重者有可能造成整個系統(tǒng)報廢無法使用。

6 結論

（1）地源熱泵系統(tǒng)在原理上有理論依據(jù)，在實踐上有應用基礎，在技術上已比較成熟，適用于無法接入城市集中供熱系統(tǒng)、或受條件限制不能用煤、電、燃氣進行采暖的地區(qū)使用，尤其適合遠離城市、又有場地保障的氣象站使用。

（2）地源熱泵系統(tǒng)不僅可用于冬天供暖，也可用于夏天制冷，屬于中央空調系統(tǒng)；還可以提供生活熱水，實現(xiàn)一機三用。

（3）地源熱泵系統(tǒng)的建設能否成功的技術關鍵，是熱交換場地的選擇、設計與施工。氣象站占地面積較大，有足夠的土地提供系統(tǒng)所需的熱交換場地。設計時重在合理布局地埋管，高寒地區(qū)的氣象站，井深應超過100 m，最好能到150 m。

（4）地源熱泵系統(tǒng)初期投資較高，但運行維護成本較低（在哈爾濱6個月供暖、2個月制冷，1200㎡用房全年運行費約4萬元），長期使用節(jié)約的費用可攤薄初期建設投資。

（5）地源熱泵系統(tǒng)得到國家產(chǎn)業(yè)政策的支持，預計到2020年中國地源熱泵年利用量有望占到全球的一半，是“十三五”時期重點發(fā)展的地熱能技術，具有較好的節(jié)能減排效益，是“綠色臺站”建設中供暖系統(tǒng)的最佳解決方案，值得在氣象站推廣應用。

[1]GB 50366-2009.《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[2]蘇南.地源熱泵產(chǎn)業(yè)駛入快車道[N].中國能源報,2016-08-22.

1002－252X(2017)03－0021－04

2017－6－1

徐東亮（1962-），男，重慶市云陽縣人，成都信息工程大學，本科生，高級工程師.