高效换热地源热泵系统在岩石地区推广应用研究
1 地源热泵技术简介
近年来随着我国国民经济的发展，人们物质生活水平的提高，各种高档生活小区不断开发发展，空调的普及速度也进一步加快，每年至少形成20000MW的装机 量，是造成2003年以来全国电力紧缺的主要因素之一（2003年国家批准开工的大中型电厂项目装机容量为33000MW）[1]。同时，人们对大气质 量、环境质量、小区绿化等的要求亦同步增长，全国许多城市都纷纷取缔小燃煤锅炉房，因此人们迫切需求一种新的绿色节能环保的供暖空调方式。
地源热泵是以大地为冷热源对建筑进行空调的技术，它利用了国际上提倡推广应用可再生能源之一—地热能，地面下2~3m以下，常年保持恒定的温度（华北地区 10~15℃，华东地区15~20℃，东北地区6~14℃）[2]，既远高于冬季的室外温度，又远低于夏季的室外温度，因此地源热泵可克服空气源热泵的技 术障碍，且效率大大提高。冬季通过热泵将大地中的低位热能提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降 温，同时蓄存热量，以备冬用。由于其节能、环保、热稳定等特点，欧美等发达国家的利用已有几十年的历史。
地源热泵可分为地表水热泵、地下水热泵和地下耦合热泵。
2 常见地源热泵应用的优缺点
2.1 地下水热泵系统（见图1）
地下水热泵系统具有系统简便易行，综合造价低，水井占地面积小，可以满足大面积建筑物的供暖空调的要求等优点；但地下水热泵系统需要有丰富、稳定、优质 的地下水。目前国内地下水回灌技术还不是很成熟，很难再被全部回灌到含水层内，造成地下水资源的流失。此外，即使能够全部回灌，怎样保证地下水层不受污染 也是一个棘手的课题。水资源是当前最紧缺、最宝贵的资源，任何对水资源的浪费或污染都是绝对不可允许的。国外由于对环保和使用地下水的规定和立法越来越严 格，地下水热泵的应用已逐渐减少。
解决办法：①向黄金、煤炭等有大量地下水排放的矿山企业推广[3]；
②努力研究针对不同地质情况的地下水回灌措施。
2.2 地表水热泵系统
地表水热泵系统的热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水（见图2）。地表水热泵系统亦具有系统简便易行，初投资较低等优点；但地表水热泵系统也受到自然条件的 限制。此外，由于地表水温度受气候的影响较大，与空气源热泵类似，当环境温度越低时热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也会降低。一定的地表水体能够承 担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因数有关，需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热对水体中生态环境的影响有时也需要预先加以考虑。
解决办法：①勘察水面面积及深度能否适合工程要求；
②根据季节温度变化范围及工程要求判定取水（换热）方式。
2.3 地下耦合热泵系统（见图3）
地下耦合热泵系统是利用地下岩土中热量的闭路循环的地源热泵系统。通常也称之为“闭路地源热泵”，以区别于地下水热泵系统，或直接称为“地源热泵”。它通 过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。其优点是系统不受地下水量的影响，对地下水没有破坏或污染作 用，系统运行具有高度的可靠性和稳定性。它的主要缺点是：由于管壁传热温差的存在，机组冬季地源侧水温低于地下水式系统5-10℃，机组夏季地源侧水温高 于地下水式系统10-15℃，机组运行条件相对较差，降低了运行效率；埋地换热器受土壤性质影响较大；连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变 化的影响而发生波动；土壤导热系数小而使埋地换热器的持续吸热速率小，导致埋地换热器的面积较大，如平面布置的埋地换热器的面积约为房间面积的2倍左右； 在岩石地区因较高的钻孔费用而难以推广应用。
解决办法：①根据负荷状况及当地地质情况取决埋管的方式、深度、及单位长度换热量的估算；
②研究技术、价格合理的钻孔深度；
③研究确实可行的施工方法，采用长期可靠的材料。
3-a
3 岩石丘陵地区常见地源热泵系统应用局限及解决办法
3.1 问题的提出
在我们国家及世界各地，都有许多位于岩石丘陵地区的需要供暖空 调的建筑物，比如辽东半岛的大连，山东半岛的烟台、威海、 青岛等，这些地区一般为地下水缺乏的地区，从而难以采用地下水热泵系统；并且因岩石层离地面较近，钻孔费用的高昂和钻孔工期的漫长，又难以推广应用地下耦 合式热泵。因此，笔者在去欧洲四国考察的基础上，又从深入调查研究了美国的应用情况，从而得出岩石丘陵地区适合推广应用高效换热地源热泵系统的结论，而国 内有关此方面的资料几乎为零，所以在此结合工程实际来介绍这一技术。
3.2 应用历史
这种地源热泵应用技术自上世纪70年代就开始从美国东北部开始使用，位于阿尔卑斯山区的瑞士也从70年代开始大量采用这种方式。它以较低的初投资和较高的运行效率而大大优于闭式耦合式地源热泵系统。
3.3 原理介绍
高效换热地源热泵系统，也就是单管型垂直埋管地源热泵，在国外常称为"热井"。高效换热地源热泵系统只需要通过一口井的水循环就可以来满足建筑物的冷热负 荷（当然，比较大的项目需要多口单井一起来满足负荷要求）。该技术比较适合于岩石层离地面比较近的地区。通过钻入岩石的深孔，将水引入孔的最深处，水在岩 石孔中循环，直接与周围15-20℃的浅层地热能进行高效率的热交换（岩石类K=2-6W/（m?℃）[4]，砂K=0.58W/（m?℃），粘土 K=0.93W/（m? ℃），而地下耦合热泵系统因为是间接换热，有一层管壁隔绝(见图5)下换热（HDPE，K=0.517 W/（m?℃）PB, K=0.383 W/（m?℃）；PVC，K=0.19 W/（m?℃）[5]），经国内外实践验证为每米井深40-70W/m的换热量（单U形管），而高效换热地源热泵系统的换热量高达160-500 W/m的换热量！比耦合热泵系统的换热量高出3-6倍之多！可见其系统的优越性。
因为该系统只在国外特定地区比较普及（岩石丘陵地区），故并未引起学者的注意，而是由一些非暖通专业的安装人士首先研究应用的（如瑞士一发明人原来是在 地下400米作业的矿工，寒冷的冬季而在地下感受到了20℃的温暖，所以他从70年代就开始在瑞士研究完善推广了该系统）。但近一两年也有专家开始认识到 其优越性，并开展了系统性的研究[6]。
这种方式下，在地下水位以上用钢套管作为护套，直径和孔径一致；地下水位以下为自然孔洞，不加任何固井设施。热泵机组出水直接在孔洞上部进入，其中一部分 在地下水位以下进入周边岩土换热，其余部分在边壁处与岩土换热。换热后的流体在孔洞底部通过埋至底部的回水管被抽取作为热泵机组供水。典型孔径为 150mm，孔深450m。经研究证实，高效换热地源热泵系统的性能与水流速度、井深、岩石传热特性和水力传导性密切相关，而其它一些参数对井的性能影响 较少。
为了保护可饮用的裂隙地下水，在成井过程中，应采用措施封闭相关裂隙带，确保不对当地的地下水造成影响，另外也可以封闭含有卤水或海水的裂隙带，防止高腐蚀性的地下水影响系统运行寿命。
3.4 系统优点
①高效节能，绿色环保，属于目前国际上倡导采用的可再生能源之一----地热能；
②减少钻孔量，降低造价。通过岩石直接换取地下热量，效率大大提高，可以节省14-19%的钻孔量；
③工作状态优良，使系统可以长期安全可靠高效运行（夏季冷凝温度比耦合式低10-15度，冬季蒸发温度比耦合式高8-10度）；
④省却传统中央空调的烟囱、冷却塔、风机等，没有了烟雾、飘尘、噪声、军团病等污染；
⑤实现了全自动运行，可无人值守；
⑥系统自动根据负荷调整运行，节省运行费用；
⑦夏季可获得免费的生活热水，春秋冬季以较低的费用制得生活热水；
⑧可实现远程监视、远程故障报警、诊断功能，节省用户的人力物力。
4 工程实例介绍：纽约某基金大厦地源热泵系统 [7]
4.1 工程简介
该基金大厦将建于纽约曼哈顿区中央公园以东的第64大街上，计划进驻一些非赢利性基金会。该大厦总建筑面积1858m2，地上5层，地下2层，将建成节 能、环保、经济高效的示范性工程。该供热空调系统的负荷，包括厨房的冷藏和冷冻的负荷，都是由高效换热地源热泵系统来满足的。两口472.44m深的热井 用来满足该系统的供热、空调、冷藏、冷冻要求。
4.2 系统介绍
; 两口深472m，直径为150mm的井钻在建筑物下面的岩床上。每口井都是在5-6天内完成。井中抽出的14.4℃的水将作为热泵机组供暖空调的冷热源。 热井是通过将井底的水抽至热泵机组，由机组吸热或排热后再排送回同一口井的上部。水是在井中垂直流动并换热的，因此叫“热井”，只要确保水与井壁间流动的 雷诺数来保证较高的传热系数，就可以得到很高的换热效率。每口井接近获得30冷吨（105kW），两口井将获得60冷吨（211kW）的冷（热）量来满足 建筑物的负荷。
4.3 系统制热/供冷功能的实现
地源热泵机组分别被安装的大厦的不同功能区。每台热泵机组都可以或者向地下水系统吸热（用来制热），或者向地下水系统排热（用来制冷）。因为在冬季是利用 的将夏季的热量储存在地下的热量，所以其经济性特别明显。夏季空调排放的热量排放到相对较凉的岩层中，也使空调效率大大提高。将夏季的空调排热回注并储存 在岩层中，并不需要额外的冷凝设备，避免了常规空调器的室外机组噪音和安装于屋顶，影响建筑外观。该系统的热泵机组运行噪音极低，并且没有设计额外的热源 设备。
由于地源热泵系统不消耗化石燃料，也就没有燃烧后的废气排出。据测算，如果该大厦供热系统采用石化燃料，必将每年排出大量的CO2等废气，如果用燃油方式，每年将排出48000m3的CO2，如果用燃烧天然气的方式，每年将排出28000m3的CO2。
5 结论
随着人们物质生活水平和环保意识的提高，高效节能绿色环保的供暖空调形式---地源热泵成为了热门产品，但每一项新技术都有其合理的应用范围，作为暖通空 调技术人员，应该深入研究各种实际情况，切实把新技术消化吸收，应用到实际工程中去。
高效换热地源热泵系统是适合在岩石层离地面较近的地区的别墅群、办公楼等有供暖空调需求的建筑物的最佳选择之一。
6 鸣谢
衷心感谢山东建工学院方肇洪教授无私提供的英文原版资料！
