土壤源熱泵系統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）

土壤源熱泵系統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能技術。探索土壤源熱泵系統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的探討，不難得出結論，土壤源熱泵系統正是遠離城鎮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，對于節約資源、節約能源、保護環境、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、環境保護和運行成本等因素，加入城市集中供熱系統無疑是最佳選擇。但氣象站因氣象探測環境保護需要，往往都建在遠離城區的地方，不具備加入城市集中供熱管網條件，供暖方式就成為不可回避的問題。

2 地源熱泵系統

2.1 地源熱泵系統概念與分類

地源熱泵系統是以陸地淺層 （恒溫帶至200 m以內）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冬季供暖、夏季制冷的空調系統。

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

（1） 土壤源熱泵系統 （Ground-Coupled Heat Pump，GCHP系統），按英譯又叫做地下耦合熱泵系統，也稱埋管式土壤源熱泵系統?！兜卦礋岜孟到y工程技術規范》[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。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系統的應用越來越廣泛。本文重點探討GCHP系統。

（2）地下水熱泵系統（Ground-Water Heat Pump，GWHP系統），又稱水源熱泵系統，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，限制了該系統的應用推廣，已經逐漸被GCHP系統所取代。

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

2.2 地源熱泵系統的發展

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的應用成為地源熱泵應用發展的主流。

中國地源熱泵研究始于20世紀80年代，經過30多年的學習研究、技術引進和消化提高取得快速發展，經歷了3個階段，即起步階段（2001年以前）、推廣階段（2001-2004年）和快速發展階段（2005年至今），是建設部“十一五”重點推廣的節能技術。據報道[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《地熱能開發利用“十三五”規劃》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

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的重要組成部分。

3.2 GCHP系統組成及工作原理

GCHP系統由室外地埋熱交換系統、熱泵機組和室內空調（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路系統 （閉環系統）。該閉環系統依靠注入一定量的水作為換熱介質 （熱載體），通過水的流動循環實現與大地巖土體的熱交換，達到供暖和制冷的目的。其系統組成框圖如下：

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

圖1 GCHP系統組成示意圖

經熱泵機組提升溫度的循環水，也可直接作為熱水使用。因此，GCHP系統既可作為供暖、制冷的空調系統，也可直接提供生活熱水。

3.3 GCHP系統的優點和不足

GCHP系統的優點很突出，主要有以下幾點：

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

（2）利于保護環境。GCHP系統使用電力工作，不會產生灰塵、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）節能效果明顯。當蒸發器中所處的溫度在10℃左右時，能效比因系統布設地理位置的不同可達1:3-1:5，比電取暖節能70%、比燃氣鍋爐效率提高48%，比普通暖通空調節能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 系統的熱泵機組壽命為15 a、地埋熱交換系統壽命可達50 a，可謂一次投資，長期受益。

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

（6）用戶體驗較好。相對于傳統燃煤供暖，GCHP系統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，體感舒適。

當然，GCHP系統也存在不足，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，成為系統快速普及的主要制約因素。

4 土壤源熱泵（GCHP）系統效益評估

地源熱泵系統的造價由機房、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，單價可按450元/㎡估算，舊用房因涉及管網等改造造價將更高。

據此，可估算出新建1200㎡建筑面積用房，安裝GCHP系統大約需要54萬元投資。

假設：以哈爾濱1200㎡建筑面積為例，冬季室內設計溫度為20-22℃、夏季室內設計溫度為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×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系統年供暖費＝熱價×建筑面積＝28.78元/㎡×1200㎡＝34536.00元。

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

4.2 夏季運行費用估算

制冷天數60 d，設備日工作時間8 h、夏季機組運行系數取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×運行系數×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系統年制冷費＝冷價×建筑面積＝4.92元/㎡×1200㎡＝5904.00元。

可見，GCHP系統在北方應用，其制冷效率遠高于供暖效率。

GCHP系統年使用費＝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

北方地區以供暖為主，而南方地區則以制冷為主。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系統的熱交換是在地下進行的，即通過打井來實現熱量傳輸和交換。在北方地區，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。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，地源熱泵系統的運行才能近似保持土壤的熱平衡。因此，在北方地區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，確保地源熱泵系統能夠保持長期穩定可靠運行，真正發揮建設效益。

5.2 熱交換場地問題

根據GCHP系統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建設成敗的關鍵，沒有足夠的場地就不能很好地實現熱量交換，系統就會無法正常運行。為確保實現系統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，應優先考慮2×10方案，這對于氣象站來說恰恰有場地優勢是不成問題的；井間距按規范在4-6 m間取值，只要場地允許，應優先考慮取值上限；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，這對高寒地區尤為重要。為確保系統建成后能用、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系統在方案設計前，應對工程場區內巖土體地質條件進行勘察，勘察內容包括工程場區布局情況，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定性好、耐腐蝕、導熱系數大、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系統尤其是熱交換場地對設計、施工和施工現場管理要求較高，需要有地源熱泵專業知識和實踐經驗的技術人員和專業施工隊伍進行設計和施工才能確保工程質量，一旦設計施工出現問題，輕者影響系統的正常使用或達不到設計要求，重者有可能造成整個系統報廢無法使用。

6 結論

（1）地源熱泵系統在原理上有理論依據，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、或受條件限制不能用煤、電、燃氣進行采暖的地區使用，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；還可以提供生活熱水，實現一機三用。

（3）地源熱泵系統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所需的熱交換場地。設計時重在合理布局地埋管，高寒地區的氣象站，井深應超過100 m，最好能到150 m。

（4）地源熱泵系統初期投資較高，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），長期使用節約的費用可攤薄初期建設投資。

（5）地源熱泵系統得到國家產業政策的支持，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”時期重點發展的地熱能技術，具有較好的節能減排效益，是“綠色臺站”建設中供暖系統的最佳解決方案，值得在氣象站推廣應用。

[1]GB 50366-2009.《地源熱泵系統工程技術規范》[S].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[2]蘇南.地源熱泵產業駛入快車道[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.