浅层地热源热泵空调系统的应用研究
摘要：浅层地热源热泵是一种利用高位能使浅层地热能从低位热源转移到高位热源的机械装置。该文回顾了重庆大学20年来在浅层地热源热泵领域的研究历程，介绍了浅层地热源热泵的研究状况及该项技术在重庆地区建筑中的应用趋势。作者从浅层地热资源本身的状态及应用规律讨论了影响地下换热器换热量的因素以及江水源热泵所受水温、水质波动影响等浅层地热源热泵系统在应用中值得关注的基本问题。
当今能源与环境逐渐成人类最关注的问题，浅层地热源热泵系统因其显著的节能、环保、高效益用等特点而愈来愈受到人们的重视。浅层地热源热泵技术自上世纪50年代在国内展开研究以来，国内的研究已取得了相当显著的研究成果。重庆大学自上世纪90年代开始，结合重庆市的浅层地热资源特点，开展了一系列的理论研究与实践尝试，积累了大量实测、设计、施工及运行的数据和经验。
1 浅层地热资源热泵系统的研究基础
按照我国《地源热泵系统工程技术规范(GB50366-2005)》中的定义，浅层地热资源是指蕴藏在浅层岩土体、地下水或地表水中的热能资源。浅层地热资源也就是指地下100m左右的、蕴藏在浅层岩土体、地下水或地表水中的热能资源，这些能源由于位于地表层，大多处于低位能源状态，为了提升能源的品位，使之作为高位能源用于调节建筑的环境，就必须要使用能源品位的提升技术。为了将这些低位热能提升至高位热能而在建筑中予以应用，目前应用最为广泛的是空调系统中的热泵技术。
浅层地热资源在建筑中的应用，目前来说，适宜于推广的主要是在岩土源热泵系统和地表水源热泵系统，重庆大学结合重庆市推广岩土源热泵和地表水热泵系统的应用经验，从理论到实践均开展了深入的研究工作。
在岩土源热泵研究方面，原重庆建筑大学在1990年前后，就开始对利用浅地层蓄能横埋管道冷却或加热空气以改善室内热环境进行了研究。1997年在“国家自然科学基金”的资助下开始建设了包括浅埋套管换热器和水平埋管换热器在内的15kW地源热泵试验系统并开展了实验研究[1];1998年~2000年，重庆大学在所建设的15kW浅埋竖管换热器地源热泵试验装置上开展了冬、夏季供暖空调效果测试，重点针对浅层套管式地下换热器的换热性能开展了冬夏季换热测试和过渡季地温恢复测试，建立了地下浅埋套管式换热器的传热模型[2]。2003年，结合应用需求，新搭建了制冷量为7Kw的U形管地下换热器地源热泵系统，围绕50m垂直深埋U形管岩土源热泵的冬季运行开展了研究，进行了原始地温测试和供热运行测试，并采用线源理论及热阻网络分析方法建立了传热模型[3];在2004年，又利用此系统开展了过渡季节地温恢复情况测试，并对不同工况下的运行性能进行了分析，采用圆柱源理论模型对本热泵系统的运行性能进行了模拟[4]。2008年，在“十一五”国家科技支撑计划项目的资助下，根据工程应用情况，构建了100m埋深的单U、双U型管地下埋管换热器测试试验台，通过自主研发的地源热泵地埋管换热量测试仪开展夏季工况和冬季工况换热量的测试，利用测试仪器分别测试得到了地下土壤不同深度的原始地温、各种工况的地下埋管换热器换热量、土壤热物性参数等，对影响地下换热器换热效果的换热管的形式、介质流速、温度等因素进行了对比分析，同时结合国家规范的要求，编制完成了地下换热器设计分析工具[5, 6] [7-9]。
在江水源热泵应用研究方面，重庆大学在“十一五”国家科技支撑计划项目的资助下，逐步建立了长江、嘉陵江水温水质年变化数据库，结合重庆市示范工程的建设，开展了系统能效分析、系统设备匹配、取水方案选择、水质处理分析等问题的研究[10-11][12-13]。课题组针对重庆地区广泛的江水资源，对江水源热泵系统应用的基础数据进行了全年逐月的水温、水质测试，并利用测试数据与气象资料的对比分析，探索了江水温度的变化规律，分析了江水源热泵系统的能效影响评价，为两江流域的水源热泵系统的合理确定提供了技术支撑。
2 浅层地热源热泵空调系统在重庆的应用
浅层地热源热泵在重庆市正处在大力度推广和工程实施的起步阶段。07～08年期间，先后两次组织建设了可再生能源建筑应用示范工程项目，随着示范工程的建设和顺利运行，已经表现出了显著的社会和经济效益，极大的推动了浅层地热源热泵工程在重庆地区的发展。示范工程涵盖了酒店、写字楼、会展中心、医院、住宅小区等各种类型的建设项目，主要应用了地表水源热泵、岩土源热泵这两种可再生资源。其中地表水源热泵示范面积达到100万m2，岩土源热泵的示范面积达到近50万m2。夏季工况下地表水源热泵空调机组运行的能效比均达到3.3以上，普遍为4.1～4.5;岩土源热泵的空调机组运行能效比均达到3.5以上，普遍超过4;冬季工况下 地表水源热泵空调机组运行的能效比基本达到3以上，岩土源热泵的空调机组运行能效比均达到3以上，不少工程超过了4，表现出了非常显著的节能效果。
随着示范工程项目的继续开展，浅层地热源热泵在重庆的应用也在继续升温。计划2010组织实施浅层地热源热泵在建筑中规模化应用的示范工程面积有50万m2，2011完成示范工程面积将达150万m2，2012年完成示范工程面积也将超过100万m2。据统计，目前在建和筹建的地源热泵工程建筑面积已经超过400万m2。
3 浅层地热源热泵系统应用中的问题讨论
随着研究的深入和工程应用的推广，在岩土源热泵系统和地表水源热泵系统的工程应用中，系统运行参数的合理确定，对于整个系统的高效运转起着关键性的作用。以下将对影响岩土源热泵地下换热器换热
量的因素和江水状态参数的选择进行讨论。
3.1 岩土源热泵应用中的地下换热器换热量的影响因素
3.1.1地下换热器内介质流速
考虑到地下钻孔的造价问题，目前钻孔孔径一般为Φ110~Φ130，深度一般为100m~120m，由此采用的制作地下换热器的PE 管规格(公称外径)一般为De25~De32。在实际工程中，参考《地源热泵系统工程技术规范(GB50366-2005)》中的推荐值，管内流速一般为0.4~0.6m/s。从大量的地下换热器换热实验中我们了解到，在一定范围内，地下换热器单位长度换热量随着流速的增加而增大，但是这种趋势随着流速增加逐渐减弱，如图1 和图2 所示。在流速增加的情况下，地埋管换热器的单位换热量呈上升趋势，但上升趋势渐缓，与此对应的管内流动阻力则持续的上升，而由于在地埋管中，管线细而长，流动阻力将对整个系统的能耗产生显著影响[14]。因此，合理选择流速，是获取换热量和阻力最佳组合的关键因素，也是保证系统高效运行的关键之一。
3.1.2地下换热器进水温度
我们知道，距离地表20m 以下的岩土温度一般全年保持恒定在10-20℃左右，在夏季工况下提高地下换热器的进水温度，或者冬季工况下降低地下换热器的进水温度，都能使地下换热器的换热效率有较大提高。[15]
在用Φ20 的PE 管制作的单U 形地下换热器的换热实验中，在流速同为0.91m/s、进水温度为13℃时，3℃进水温差造成的换热量差异达到了53.4%。
然而，地埋管进水温度，是与热泵机组直接关联的，冬季蒸发器出口温度的降低和夏季冷凝器出口温度的升高，将会导致热泵机组运行效率大幅下降，并会增加机组制造成本。因此，如何确定热泵机组的工况，是需要结合地埋管换热器的换热性能和要求进行综合考虑的，而目前的水源热泵机组，尚缺乏对这部分的合理设置。
3.1.3 单U与双U型地下换热器性能
目前的岩土源热泵系统中，普遍采用的是双U 型地下换热器，与单U 型地下换热器相比，换热能力有所提高，但所消耗的管材有所增加。针对这一问题，结合测试数据，我们对比了单U 与双U 型地下换热器换热性能的差异性。
根据测试台冬季工况测试值，在流量为0.59m3/h、进水温度为10℃的工况下，单U 埋管和双U 埋管的单位井深换热量分别为31.1 w/m 和35.3w/m，对比该换热量可知，双U 埋管的冬季换热能力比单U 埋管提高了13.5%;在流量为0.59m3/h、进水温度为12~13℃的工况下，单位井深换热量分别为21.43 w/m和22.8w/m，对比该换热量可知，双U 埋管的冬季换热能力比单U 埋管提高了6.4%。从对比发现，双U埋管换热能力总体高于单U 埋管，但换热能力提高的比例却根据工况而有所不同，根据目前的数据对比，双U 埋管的冬季换热能力比单U 埋管约可提高10%左右。[16]
3.2 地表水热泵应用中的原始参数
3.2.1两江水温变化
江水由于水体面积大，流量大，所以热容量也大，但同时，与地下岩土温度不同，江水温度受气候的影响明显，全年江水温度都有较大幅度的波动。掌握江水的温度变化规律，对江水源热泵的设计和运行都起着至关重要的作用，有效应对江水温度波动的合理设计，可以使得空调机组的能效维持在相对稳定的较高值。
课题组对流经重庆市区的长江和嘉陵江的江水温度进行了长期测试，得到了重庆市两江水的逐月变化曲线，如图5 所示。根据对测试数据的处理分析，两江江水温度除江表面温度受空气温度的影响变化较显著外，在江面以下温度变化甚小，可以认为江水温度不随深度发生变化。从江水温度的逐月分析可以了解到，冬季12 月到次年2 月江水的平均温度在9～13℃范围内变化，嘉陵江的江水温度略低于长江温度约1℃，两江的温度相差不大。在夏季6～8 月间，长江水的平均温度约为23～25℃，嘉陵江的平均温度比长江温度高 2～3℃。由于受到时间、空间等因素的限制，在实际工程的应用中，不可能随时获取江水的温度变化规律，但这一变化数据却对系统的节能效果的分析至关重要。通过长期对江水温度的实测数据与当地空气温度的对比，空气温度与江水温度的全年变化具有相同的变化趋势，并且关联度较强，课题组通过拟合分析，已初步建立了江水温度与逐月空气平均温度的回归模型[14]。
3.2.2两江水质变化[14]
对于采用江河水水体作为水源热泵机组换热工质的系统，应考虑全年水体水质的变化特点，采取适合的水处理措施，即做到投资的经济性，又保证机组的顺利运行。课题组对长江和嘉陵江的水质进行了周期性的检验，特别是针对悬浮物、钙镁总硬度、CL-、SO42-等空调冷却水的用水指标进行了逐月的检验分析，为日后两江流域的水源热泵系统应用分析过程中的水处理方案选择提供了依据，从而有助于合理降低系统造价，提高系统投资的费效比。
通过实测数据的分析，如图6、图7 所示，两江水除浊度全年存在较大波动，在汛期会远远超出作为冷却水应用的允许值。其余指标虽然也随着季节和水量存在波动，但从总体上说，全年的波动范围都能基本满足冷却水的水质要求，可见在重庆地区在利用长江和嘉陵江作为水源热泵机组的冷热源时，水质处理的重点在于浊度。
4 结束语
浅层地热源热泵技术的应用，除了在计算方法、系统设计方面需要慎重考虑外，对于冷热源本身的状态也应该有清楚的把握。岩土源热泵系统和地表水源热泵系统的应用，从根本上讲是自然资源的一种利用形式，因此资源状态的变化情况直接影响了系统的设计。针对岩土源热泵系统和地表水源热泵系统应用中对基础数据的需求，重庆大学课题研究组在土壤温度、换热性能、江水温度、江水水质等方面开展了长期的数据收集和整理工作，目前已初步构建了应用数据库，为这两种热泵系统的合理应用提供了坚实的数据支撑。
