土壤源热泵系统的适用性分析

雷维君

1 概述

随着我国建筑节能的推进和对可再生能源的日益重视，随着《中华人民共和国节约能源法》和《中华人民共和国可再生能源法》的颁布和实施，在近年来我国的地源热泵发展迅速，尤其以上海、南京、杭州等华东地区以及北京、天津、西安等西北地区尤为典型，已经成为我国建筑空调冷热源中不可再被忽视的一种力量。

地源热泵系统分为地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统、土壤源地源热泵系统。地下水地源热泵系统因其大面积使用对地下水和地下地质结构的破坏性，地表水地源热泵系统也以具备合适的水温水量和水质的水体为实施的先决条件以及运行费用的不节约等因素，这两种地源热泵系统的应用存在一些制约因素。而土壤源热泵由于采用土壤换热器换热的闭式循环，虽然造价有所上升，但在土壤温度适合的地区容易具备实施的条件，同时闭式的循环系统不会对环境和地下水造成影响。因此在近年来土壤源热泵已经逐渐成为地源热泵系统的主要形式。本文以土壤源热泵系统为讨论对象，分析影响其实施的主要因素。

2 土壤源热泵技术上的适用性

其主要取决于工程所在地的土壤温度、建筑物负荷情况、地质情况以及是否具备充足的地埋管换热器施工场所。适中的冬夏都可利用的土壤温度、较稳定的冷暖负荷、较少风化岩石和富含流动性好地下水的地质情况是采用土壤源热泵的理想条件。难以获得足够的土壤换热器施工面积是土壤源热泵主要的限制因素。

2.1 土壤温度

合适的土壤温度是土壤源热泵实施的基础条件。13℃～19℃的土壤温度比较适宜。过高的土壤温度用于持久制冷的潜力较小，因为其土壤温度在地源热泵持续一段时间达到稳定后土壤换热器周围的土壤温度已经高于常规冷却塔系统，这样换热器内循环流体能获得的温度差急剧间距减小，导致热泵机组效率下降。过低的土壤温度虽有利于制冷，但不利制热，在寒冷地区的土壤源热泵必须在换热器内循环水中添加防冻剂，且热泵机组效率下降，换热器埋管数量增多，占地面积增大，投资增加。

2.2 建筑物负荷

1)适宜采用土壤源热泵技术的是处于夏热冬冷地区以及寒冷地区的部分建筑。这些地区的土壤温度适中，大致在13℃～19℃之间且全年基本稳定，冬夏季节都可采用土壤源热泵作为空调系统冷热源。夏热冬暖地区由于没有供暖需求不能体现热泵机组冬夏两用的经济性，严寒地区地源热泵又不能很好的满足高温高负荷的要求，同时夏热冬暖地区及寒冷地区全年从地下的取放热量相差悬殊，长期运行容易形成土壤温度失衡。我国的土壤热泵的适用地区非常广泛，包括上海、江浙、江西、湖南、湖北、四川、河南南半部、陕西等。2)土壤源热泵较适合的建筑物类型是负荷波动小，使用稳定的中等规模住宅、酒店、办公楼、别墅等，不适宜用于负荷使用随机性高或负荷较大的会堂、剧院等。3)土壤源热泵系统较适用于全年有生活热水要求的酒店、游泳池等，可将夏季空调需排至地下的热量回收利用于卫生热水。环保、节能且利于全年从地下的取放热量平衡。4)土壤源热泵系统的规模不宜过大或过小，每个系统在3 000 m2～50 000 m2比较适宜。系统过大因地埋管换热器水系统距离过远，输送能耗增大，水力难以平衡;过小则相对初投资过高，系统利用率较低。5)土壤源热泵系统不适用于高能耗建筑。因为土壤源热泵系统比常规系统初投资大大增加，每平方米的造价大约增加50元～100元不等，因此对于有洁净要求、高除湿要求或较低空调设定温度的高负荷建筑，采用土壤源热泵是不经济的。

2.3 地质情况

土壤换热器的性能在不同地质条件下差别较大。理想的地质条件是较高的导热系数、热容量高、较高的土壤含水率及迁移速度。一般各类岩石的导热系数最大，砂土次之，黏土最小，但是由于岩石孔隙率低导致含水量低，因此岩石用于土壤换热器的持久性最差，黏土次之，砂土最好。

2.4 施工场地

土壤换热器施工面积是土壤源热泵主要的限制因素，在土壤源热泵系统基本条件具备后，需要确定埋管形式是垂直埋管还是水平埋管。当可利用地表面积较大，浅层岩土体的温度及热物性受气候、埋设深度影响较小时，宜采用水平地埋管换热器。否则，宜采用垂直地埋管换热器。垂直地埋管换热器埋管面积需按最大释热量或最大放热量及管与管之间最小间距确定。在没有合适的室外用地时，竖直地埋管换热器还可以利用建筑物的混凝土基桩埋设，即将U形管捆扎在基桩的钢筋网架上，使U形管固定在基桩内，但此方式受施工工期限制。

［1］徐 伟.可再生能源建筑应用技术指南［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［2］美国制冷空调工程师协会.地源热泵工程技术指南［M］.徐伟，译.北京:中国建筑工业出版社，2001.

［3］法智彤，褚晓丽.浅谈土壤源热泵系统的发展及其应用［J］.山西建筑，2010，36(8):195-196.