地源熱泵應(yīng)用在存在的問題

李宏峰

摘要：地源熱泵在國外發(fā)達國家應(yīng)用已經(jīng)成熟，但在中國還處于引進試用階段。中國地源熱泵應(yīng)用存在著一些問題，對這些問題應(yīng)采用的解決方式。

關(guān)鍵詞：地源熱泵應(yīng)用；優(yōu)勢；國家政策；系統(tǒng)設(shè)計；施工規(guī)范

【中圖分類號】TV211.1+2【文獻標(biāo)識碼】A【文章編號】2236-1879（2017）12-0267-02

地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源作為冷熱源，進行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地?zé)豳Y源指地下水、江河湖水、水庫水、海水、城市中水、工業(yè)尾水、坑道水等各類水資源以及土壤源，它們吸收的太陽能、地?zé)崮苓h(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類每年利用能量。它不受地域、資源等限制，是儲存于地表淺層量大面廣、近乎可無限利用的清潔可再生能源。

地源熱泵不是能量的制造者，而是能量的搬運工。地源熱泵只是在大地和室內(nèi)之間“轉(zhuǎn)移”能量，利用極小的電力來維持室內(nèi)所需要的溫度。在冬天，使用電力將土壤或水源中熱量送入室內(nèi)。在夏天，過程相反，室內(nèi)的熱量被熱泵轉(zhuǎn)移到土壤或水中，使室內(nèi)得到?jīng)鏊目諝?。如此周而?fù)始，將建筑空間和大自然聯(lián)成一體。以最小的低價獲取了最舒適的生活環(huán)境。它利用地層特定深度保持恒溫的特性，制熱能效比達到4.0以上。也就是說消耗1KWh的能量，用戶可得到4KWh以上的熱量或冷量。地源熱泵系統(tǒng)是目前效率最高、對環(huán)境最有利的熱水、取暖和制冷系統(tǒng)。如果考慮到包括環(huán)境效益、能源保障和長期利用在內(nèi)，地源熱泵系統(tǒng)是最好、技術(shù)含量最高的替代產(chǎn)品。地源熱泵供暖空調(diào)的優(yōu)勢使其成為近年來世界可再生能源利用及建筑節(jié)能領(lǐng)域中增長最快的產(chǎn)業(yè)之一。

從地源熱泵應(yīng)用情況來看，北歐國家主要偏重于冬季采暖，而美國則注重冬夏聯(lián)供。由于美國的氣候條件與中國很相似，因此美國的地源熱泵應(yīng)用情況對我國地源熱泵的發(fā)展有著借鑒意義。美國每年新建獨立家庭住宅（別墅）中，超過40%使用了地源熱泵系統(tǒng)。到2005年為止，美國的地源熱泵安裝數(shù)量已經(jīng)達到100萬臺。

跟傳統(tǒng)中央空調(diào)相比，地源熱泵系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢。

優(yōu)勢一：一機三用，地源熱泵系統(tǒng)可以滿足中央空調(diào)、地板采暖、生活熱水三個功能需求。

優(yōu)勢二：高效節(jié)能，穩(wěn)定可靠，地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比室外環(huán)境空氣溫度高，夏季比室外環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運行效率要高，可節(jié)能和節(jié)省運行費用30%-50%左右，且系統(tǒng)運行不受外界氣候影響，運行穩(wěn)定可靠。它比燃油鍋爐采暖節(jié)能50%；比電采暖節(jié)能70%。

優(yōu)勢三：舒適度高，使用壽命長，地源熱泵系統(tǒng)的運行不受外界氣候變化的影響，不管是夏天炎熱的天氣還是冬季雨雪天氣，地源熱泵系統(tǒng)都能非常穩(wěn)定運行，保證制冷、采暖的效果，這是傳統(tǒng)空調(diào)無法比擬的優(yōu)勢。

優(yōu)勢四：地源熱泵系統(tǒng)的能量來源于太陽能，它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣、是一種理想的“綠色空調(diào)”被認(rèn)為是目前可使用的對環(huán)境最友好和最有效的供熱、供冷系統(tǒng)。

在中國地源熱泵的應(yīng)用取得了不小成績，但是也存在著不少問題。當(dāng)然，這些問題是怎么樣把該系統(tǒng)用得更好，而不是質(zhì)疑該系統(tǒng)是否有效。

1地源熱泵推廣應(yīng)用會受到政策支持的影響

比如說地源熱泵常見的一種換熱方式是利用地表水源。水源熱泵工作中需要持續(xù)的抽水、排水，收費管理需要涉及到調(diào)整相應(yīng)城市用水管理條例；如果收費偏高，會影響地源熱泵的推廣。地源熱泵常見的另一種換熱方式是利用地表土壤。土壤垂直埋管式地源熱泵需要通過垂直鉆孔將閉合換熱系統(tǒng)埋置在幾十米至上百米深的巖土體與土壤進行冷熱交換。土壤水平埋管式打井埋管受場地限制比較大，必須有足夠的面積用于打井和埋管。規(guī)劃土壤換熱式埋置管道的面積和深度都需要城市規(guī)劃部門進行認(rèn)可審批。地源熱泵布局要合理，避免破壞水文地質(zhì)環(huán)境。

在西方發(fā)達國家，對待地源熱泵應(yīng)用是頒布法規(guī)，要求在公用建筑中推廣應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)，并采用給予政策補貼方式推廣，一直到其應(yīng)用成熟為止。地源熱泵系統(tǒng)一次性投資及運行費用會隨著用戶的不同而有所不同，一般用戶越多分?jǐn)傁聛砻咳说倪\行費用就越低。因為它的換熱管道需要預(yù)埋在地下，一般在建筑設(shè)計階段前就要同步考慮設(shè)計了。

雖然地源熱泵應(yīng)用能在后期運行給用戶和社會帶來諸多節(jié)能好處，但是初期產(chǎn)生的投資不小，而且不能直接為房地產(chǎn)商創(chuàng)造利潤。如果國家不給予政策補貼鼓勵推廣，僅靠設(shè)備生產(chǎn)廠家推廣肯定無法大面積實施。國家及各省應(yīng)出臺行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及優(yōu)惠政策，促使這個行業(yè)健康發(fā)展。

2地源熱泵系統(tǒng)跨越了多個學(xué)科領(lǐng)域，涉及到建筑、暖通、地質(zhì)學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、自動化控制、機械設(shè)備等多個學(xué)科，要有綜合的知識、系統(tǒng)集成

建設(shè)和管理涉及到規(guī)劃、建設(shè)、國土、水務(wù)、環(huán)保等多個職能部門，各省建設(shè)部門需要從全局的角度出發(fā)，加強地源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)研究指導(dǎo)工作，為其建設(shè)與安全運營提供可靠的技術(shù)支撐。地源熱泵系統(tǒng)涉及到勘探、設(shè)計、施工、監(jiān)理、后續(xù)運行等各個不同環(huán)節(jié)，必須由具有相關(guān)資質(zhì)的單位承擔(dān)，并由專家組根據(jù)相關(guān)技術(shù)法規(guī)進行論證和審批。

地埋管換熱器的設(shè)計是決定地源熱泵系統(tǒng)成功的關(guān)鍵之一，設(shè)計出現(xiàn)偏差可能導(dǎo)致系統(tǒng)運行效率降低甚至無法正常運行。影響換熱器的主要方式是地質(zhì)因素，如地層土的物理化學(xué)性質(zhì)、地下水位深度、水量、地質(zhì)是否適合打井和回灌等。換熱器的換熱形式和熱泵選型取決于地質(zhì)或水文條件。這些水源地質(zhì)的勘探、資源評估工作由政府部門出面組織更合適。

3地源熱泵應(yīng)用中設(shè)計的不足

有些項目設(shè)計單位缺乏熱泵設(shè)計師，對地下?lián)Q熱器這一系統(tǒng)關(guān)鍵缺乏了解。在沒有進行地質(zhì)水務(wù)進行勘查情況下，不進行科學(xué)實驗，僅憑經(jīng)驗數(shù)據(jù)盲目設(shè)計。

設(shè)計常見的問題有：（1）地下水回灌的技術(shù)問題。地源熱泵系統(tǒng)采用地下水方式換熱時，通常理論上要求通過回灌井把地下水回灌到原來的地下水層。但目前國內(nèi)地下水回灌技術(shù)設(shè)計不規(guī)范，在很多地質(zhì)條件下回灌的速度大大低于抽水的速度，從地下抽出來的水經(jīng)過換熱器后很難再被全部回灌到含水層內(nèi)，造成地下水資源的流失，有可能引起地面沉降。這是地源熱泵應(yīng)用失敗的一個常見原因。造成這種現(xiàn)象的原因是設(shè)計時抽水井群與回灌井群數(shù)量布局不合理，一般為了保證回灌效果，抽水井群與回灌井群比例不得低于1∶2。通常地下水回灌成本比抽水成本高，速度慢，所以設(shè)計中對回灌井?dāng)?shù)量、間距要充分考慮。在國外西歐國家回灌技術(shù)應(yīng)用是成熟的，但是中國以前沒有行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)強制要求其執(zhí)行，才導(dǎo)致設(shè)計時只考慮降低眼前成本，不考慮長遠(yuǎn)運行。

（2）要考慮冷熱負(fù)荷平衡問題。地源熱泵工程采用土壤式換熱法，需要采用可靠的試驗設(shè)備，通過地下巖土準(zhǔn)確測試地埋管施工地區(qū)巖土的熱物性參數(shù)、從而測算確定每延米地埋管換熱孔的換熱量，為地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設(shè)計、換熱孔鉆鑿施工工藝等提供必要的基本依據(jù)。我國地域廣闊，南方地區(qū)以供冷為主，常年向地下注入熱量；北方地區(qū)冬季供暖需求大，從土壤中大量吸熱，長年運行后將導(dǎo)致土壤溫度失衡，影響周圍生態(tài)，比如引起土壤開裂。設(shè)計及運行中對全年冷熱平衡有較大要求，如果采用土壤式換熱方式要做到夏季往地下排放的熱量與冬季從地下取用的熱量大體平衡。換句話來說，有些地源熱泵設(shè)計中為節(jié)省成本，不按要求做地?zé)崞胶鈱嶒灳┕y試，地埋式換熱孔數(shù)量少，間距及深度不足加上使用不合理，全年冷熱負(fù)荷不平衡，引起地質(zhì)災(zāi)害，最后導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)停止使用。從技術(shù)上說，采用地表水換熱方式不需考慮冷熱負(fù)荷平衡問題，采用冷卻塔方式可以改向空氣釋放熱量。

（3）在水源熱泵應(yīng)用之前需要調(diào)查當(dāng)?shù)氐乃辞闆r。水源原則性要求有：水量充足，水溫適度，水質(zhì)適宜，供水穩(wěn)定。地下水熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性與地下水層的深度有很大的關(guān)系。如果地下水位較低，不僅成井的費用增加，運行中水泵的耗電將大大降低系統(tǒng)的效率。水源開采技術(shù)和費用會制約著地源熱泵整個系統(tǒng)的應(yīng)用。

4地源熱泵施工中不規(guī)范

有些施工企業(yè)沒有資質(zhì)，安裝施工質(zhì)量不規(guī)范；有些公司降低設(shè)備選型與質(zhì)量，惡性競爭，運行管理不規(guī)范。

按照2009年頒布的地源熱泵技術(shù)規(guī)范，埋設(shè)的管材和管件必須符合設(shè)計要求，有相應(yīng)的質(zhì)監(jiān)報告和生產(chǎn)廠家合格證?；靥畈牧媳仨毞腺|(zhì)量要求。安裝施工必須由有資質(zhì)的公司進行。以往由于管材質(zhì)量不合格、回填料不合格及施工質(zhì)量不合格導(dǎo)致管路堵塞報廢的例子時有發(fā)生。

地源熱泵作為一個系統(tǒng)，必須從綜合方面考慮，比如水泵等設(shè)備必須匹配系統(tǒng)要求。由于氣候和地理的差異，北方的地埋管出水溫度比南方的低很多，因此，蒸發(fā)溫度就要提高，所配的地源熱泵機組容量就應(yīng)該有所區(qū)別。設(shè)備生產(chǎn)廠家可以根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)不同地域的實際情況，做出更多的配套滿足系統(tǒng)要求。預(yù)埋地下的管網(wǎng)必須使用好的材料，管網(wǎng)重建的成本很高。如果設(shè)計地源熱泵系統(tǒng)壽命是三十年，而地下管網(wǎng)壽命只有十年。那么就會出現(xiàn)不匹配現(xiàn)象，整個系統(tǒng)使用壽命只有十年。

5加強整個系統(tǒng)設(shè)計，從設(shè)計、施工、驗收要嚴(yán)格地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范要求

我們看到，前面列舉的地源熱泵應(yīng)用中出現(xiàn)的問題有些是技術(shù)方面的，有些是管理方面的，都是可以克服的。從節(jié)能角度出發(fā)，地源熱泵從開始運行到回收系統(tǒng)成本需要5-7年。從技術(shù)上來說，系統(tǒng)需要經(jīng)歷多年春、夏、秋冬四季的氣候狀況和多種工況考驗，均能滿足熱水、采熱、供冷需要，才能證明系統(tǒng)運行技術(shù)成熟。為促使地源熱泵承包商正視質(zhì)量問題，應(yīng)立法提高地源熱泵系統(tǒng)的保修期。要求承包商對地源熱泵系統(tǒng)按照規(guī)定的參數(shù)承擔(dān)10年以上的維修義務(wù)，并由保險公司進行質(zhì)量保險。保修期的延長，意味著承包商在必須從整個系統(tǒng)進行把好質(zhì)量關(guān)，這樣才不至于保修期間被返修，增大成本。提高保修期準(zhǔn)入門檻，可以把一些質(zhì)量不合格的公司淘汰掉，有利于壯大素質(zhì)優(yōu)秀的公司隊伍。保險公司在利益驅(qū)動下，肯定會雇傭強大的專家團隊，對整個過程進行合理監(jiān)督，優(yōu)化管理方案，降低整個系統(tǒng)維護費用。

要從國家層面上加強地源熱泵的行業(yè)技術(shù)交流，加大從業(yè)人員的技術(shù)培訓(xùn)，實行嚴(yán)格的地源熱泵設(shè)計師制度。地源熱泵系統(tǒng)是地下隱蔽工程，系統(tǒng)運行要求長期安全可靠，其技術(shù)管理復(fù)雜性超過主體工程，應(yīng)建立專門部門進行統(tǒng)一管理。雖然歐美等發(fā)達國家地源熱泵技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成熟，考慮到中國地理地質(zhì)條件的不同，注定地源熱泵系統(tǒng)工程具有不可復(fù)制性。由于該技術(shù)才進入中國十幾年，這需要我們在以后應(yīng)用中由國家出面投入大量資金進行研究、技術(shù)積累，形成符合中國要求的技術(shù)規(guī)范。

地源熱泵的推廣需要各個專業(yè)領(lǐng)域的人員來共同配合、共同參與！

參考文獻

[1]李文良，河北地源熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀存在問題及建議.