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1、科学认识、宣传与建设地源热泵系统， 切实加强地下环境监测工作,汪训昌 (中国建筑科学研究院 研究员),科学认识、宣传与建设地源热泵系统， 切实加强地下环境监测工作,一，引言 - 目前国内发展地源热泵的驱动力 二，地源热泵系统的基本原理 三，地源热泵系统的优缺点与适用条件 四，值得商确的观点 五，当前地源热泵工程建设中的主要问题 六，建议 - 在保护地下资源环境的前提下发展与建设地源热泵系统,一，引言 - 目前国内发展地源热泵的驱动力,我国目前经济发展正处于髙速发展期，每年新建各类建筑面积20亿：三北地区法定供暖、供暖期90天以上，供暖能源消耗负担日益加重；地处长江流域中部地区夏热冬冷，空调普及
2、促使空气源热泵型空调机组(器)已成为当地的有效供暖设备，但其随气温变化的热输出不稳定与低能效，已不能满足髙品质供暖的需求。,一，引言 - 目前国内发展地源热泵的驱动力,随着空调的普及和每天使用时间的延长，地源热泵空调系统已几乎成为了当前华北城市中全年供冷、供热的最佳选择。它不但可以采用一套设备兼作冷、热源，而且全年的冷、热量输出稳定，不受室外气温变化的影响，并且其能效也要比一般空气源热泵系统髙20至40。夏季供冷时也不会把制冷的冷凝热排入大气，增加城市的热岛效应；全国的几个直辖市、特大城市，为了达到一级、二级空气品质的环保要求，在市区已禁止使用燃煤锅炉改用天然气。但是我国的天然气储量很有限，很
3、大程度上依赖于进口，价格也相当贵，已成为城市冬季供暖的一个重要制约因素；,一，引言 - 目前国内发展地源热泵的驱动力,一些地方政府文件与优惠政策来推广这种系统，为地源热泵系统的发展创造了良好的政治环境；但是，作为一种地源热泵系统，它必须通过地埋管(换热器)或地下水，把夏季制冷的冷凝热全部排入并储存在地下土壤、卵石、岩石与含水层中，轮到冬季供暖时再取出来，通过热泵升温后向建筑供暖。因此，打井与埋设地下换热器就成为所有地源热泵系统所必要的地下建设工程。此外，在工程现场，是否适宜钻井埋管，是否有适用的地下水也必须进行事前的地质水文调查与勘探，而且浅层地下水是一种比“热”更宝贵的地下资源，同时为了确保
4、热源热泵系统能持续、安全、经济地运行，在发展与建设地源热泵系统的同时，我们还必须十分重视地下资源环境的保护。,二，地源热泵系统的基本原理,地源热泵系统，尤其是地埋管的水源热泵系统和地下水的水源热泵系统，都是把地下30-300 m深的恒温带中的土壤、卵石、岩石与含水层作为水源热泵系统“热源”与“热汇”的蓄热层。 在夏季供冷时，向地下排放冷凝热，经过整个夏季冷凝热排放与积聚后，使就地的恒温带会形成局部的4-6C的温升；在冬季供热时，热泵要从地下不断吸取这部分所储存的低品位的低温热量，经热泵提升温度后用于向建筑供暖，如果热泵系统冬季从地下累计吸取的热量等于夏季累计排放的热量，则此就地的恒温带又会形成
5、局部的4-6C的温降，经一年的供冷供暖周期后又恢复到原始的恒温带温度。,二，地源热泵系统的基本原理,但是任何实际的地源热泵系统，其不但夏季累计冷负荷不会等于冬季累计热负荷，即：,二，地源热泵系统的基本原理,而且夏季累计向地下释放的热量也一般不会等于冬季从地下吸取的热量，即：,二，地源热泵系统的基本原理,假定该水源热泵系统的夏季能效比为EER，冬季的供热性能系数为COP，则其夏季累计向地下释放的热量与夏季累计冷负荷，及冬季累计从地下吸取的热量与冬季累计热负荷有以下关系：,二，地源热泵系统的基本原理,上面公式(3)的夏季累计向地下释放的热量和公式(4)的冬季累计从地下吸取的热量应该是设计计算地下埋
6、管换热器深度、井眼直径、深度、间距，或地下水水井口径、数量、深度、间距的主要依据。 但是目前许多工程，不计算全年逐时冷、热负荷，或者只是依靠单位建筑面积的冷负荷指标与热负荷指标估算工程的小时冷、热负荷，或者只凭夏季设计日的最大小时的冷负荷值 (Qli)MAX) 与冬季设计日的最大小时的热负荷值(Qhj)MAX)作为设计计算地下埋管换热器深度、井眼直径、深度、间距，或地下水水井口径、数量、深度、间距的主要依据，,二，地源热泵系统的基本原理,这种不科学的设计方法，不但会使地埋管换热器的数量、打井数量大大增加，增加地下部分的建设投资费，而且也无法核查地下的全年热平衡状况。从每项工程的实际情况来考虑，
7、应该说地下的全年放热与取热不平衡是绝对的，平衡是相对的。如果全年地下放热与取热的不平衡超过了10，作为设计者就应采取额外冷却塔放热或辅助热源加热的补救措施，否则地下埋管的土壤、卵石、岩石与含水层的温度就会或者逐年升髙，或逐年下降，热泵的供冷或供热效率也就跟着逐年下降，导致地源热泵系统运行10年后失效。,二，地源热泵系统的基本原理,对于全年只需单纯采暖、不需供冷的小型工程 (即：一般为单排布井的系统)，选用地埋管水源热泵系统时，不但应计算出其冬季供暖从地下取热的累计取热量，而且还必须考虑地下岩土的传热与温度场的变化，计算出经春、夏、秋季的地下小温差、大热容量传热后，地下地埋管区域的岩土的温度场能
8、否恢复到原始的状态。如果不能恢复到原始状态，就必须再计算累计5年、10年、15年后的地下温度场的变化，以确保该地埋管水源热泵系统在其使用寿命期都能髙效、可靠运行。,三，地源热泵系统的优缺点与适用条件,这里所谓的地源热泵系统的优缺点都是指相对空气源热泵系统而言的 ，优点： 1，地下恒温带的温度一年四季比较稳定，确保了地源热泵制冷量与制热量的常年稳定； 2，具有较髙、较稳定的制冷与供热效率； 3，当冬季从地下累计取热量和夏季向地下累计放热量相等时，地源热泵系统可以不设任何冷却塔与辅助加热设备； 4，充分利用了夏季制冷时的冷凝热，储存于地下，有效地减轻了城市的夏季热岛效应，同时也便于提供全年的生活热
9、水。,三，地源热泵系统的优缺点与适用条件,缺点：1，地下钻井眼埋管和打井都需要高额的工程建设费，尤其是在现场地质水文条件恶劣的情况下更为突出； 2，地源热泵系统的全年供冷供热性能与经济性强烈依赖于建筑的冷、热负荷计算，设备选用，和地下埋管或水井设计计算与施工。精心设计与精心施工的工程和粗制滥造的工程，无论在性能上、在初投资上、还是运行费用上、及使用寿命上都会有成倍的差别； 3，就目前国内熟悉地源热泵系统的合格设计者而言，其数量有限 ； 4，目前国内有经验的、合格的、确有能力的承包商也不多。,三，地源热泵系统的优缺点与适用条件,地源热泵系统的建设一般应遵循以下适用条件：1，全年室外空气平均温度
10、(或地下恒温带温度)处于10-20的地域； 2，具有经济打井的地质条件，对于地下水水源热泵系统还需要拥有合适浅层地下水资源的地域； 3，全年向地下总排热量和总取热量相等或接近的供热供冷工程； 4，夏季供冷温度不低于5 ，冬季供热温度不高于60的工程。,四，值得商确的观点,2007年1月30日至2月2日在北京友谊宾馆召开了“全国地热 (浅层地热能) 开发利用现场经验交流会”，在会上国土资源部地质环境司的陶庆法，胡杰两位同志提出：“地源热泵技术是一种利用浅层地热能的既可以取热供暖又可以取冷制冷的髙效节能的空调技术”，“浅层地热能的温度略髙于当地平均气温35C，温度比较稳定，分布广泛，开发利用方便。
11、”1 这种观点值得商确并希望引起业内人士讨论。,四，值得商确的观点,四，值得商确的观点,四，值得商确的观点,本人在“关于发展地源热泵系统的若干思考”一文2中已明确阐明了地热利用和地源热泵系统在运行原理上的本质差别，认为“在30300 m地下，地源热泵系统都是以天、周、年的时间尺度周期地取热与排热，只要其全年的总取热量与总排热量相等，就能持久地维持其“恒温带”的状态；如果我们把这一地下30 m至300 m深“恒温带”地层看作为“取之不尽，可不断再生的低温地热资源”，可由深层的地热资源或地表太阳能来补充，那就会犯原理性错误，因为若要让地表太阳照射的热能或地幔的热能传递到此“恒温带”，由于地壳的导热
12、系数很小，热容量极大，其恢复温度的“时间尺度”将是几十年，乃至上百年。因此，单纯地、连续地从此“恒温带”,因此，单纯地、连续地从此“恒温带”取热而不考虑及时地用热泵的“排热”来补充与平衡，此“恒温带”的温度必然会逐年下降，使地源热泵系统的工况逐年恶化，效率逐年下降，5-10年后就会失效与报废。”“实际上地下土壤、卵石与岩石的传热，及地下含水层的热迁移都是十分缓慢的。如果我们不遵守“年热平衡”原则，倘若真的每年夏季累计向地下排放的热量大于冬季累计吸取的热量，即使该地区地下恒温带每年只升高0.5C，10年后该地源热泵系统就不能有效正常供冷了。”“因此，我个人认为我们不应该把地下30 m至300 m
13、深这一“恒温带”地层看作为“取之不尽，可不断再生的低温地热资源”，而只能看作为“蓄热层”。”,四，值得商确的观点,关于“地热资源评价”，中国地质调查局水文地质环境地质部今年发表的“我国地热资源及其开发利用现状”的报告3中明确规定：“目前地热资源评价的依据是国家标准地热资源地质勘查规范GB11615-89。资源计算针对热储层储存的地热能和地热流体, 同时计算热储中的储存热量（J）、储存地热流体量（m3）、地热流体可开采量（m3/d或m3/ a）及其可利用的热能量（J）山区泉(井)口温度25C，为地热资评价的温度下限，低于上述标准的泉(井)点不予计算评价。” 由此可见，把“髙于当地平均温度35C”
14、的地下恒温带的“热能”看作为“浅层地热能”来统计与开发，也是不符合地热资源地质勘查规范的规定的。,四，值得商确的观点,再退一步说，如果硬要把这种“髙于当地平均温度35C的地下恒温带的浅层地热能可以采用地源热泵技术来利用”的话，那就不需要再强调一定要周期地冬季取热供暖和夏季放热供冷了。既然是一种蕴藏在地下的“低温浅层地热能”，就可以把地源热泵技术应用于任何仅需单纯供暖需求的工程。但是，如果我们真的要按照这种“理论”进行工程实践，其地源热泵系统使用了12年后就会慢慢失效和运行5-6年后就会报废。,四，值得商确的观点,按照此种“浅层地热能”观点，当地源热泵系统在夏季冷时，如何解释其“浅层地热能”的热
15、利用呢？夏季如何从地下“取冷制冷”呢？当地源热泵系统在冬季供热时，如何解释其“浅层地热能”的补充来源？如果说它来自于深层的地热资源或地表太阳能的补充，那它的时间尺度将是多长？如果地源热泵系统经过冬季4个月连续从地下取热供暖后，使当地地下一大片浅层的土壤、砂石、卵石与含水层的温度从原来的平均15C降低到了平均10C，如果不利用地源热泵系统进行夏季供冷放热，单纯地让这部分地层经8个月的“休息养生”后，请问它能从平均10C自然地恢复上升到平均15C吗？我想这些问题都是“浅层地热能”观点所无法解释的。,四，值得商确的观点,因此，此种“浅层地热能”观点会带来以下几种误导与危害：1，允许地上、地下工程设计
16、者不考虑全年的地下热平衡，只单纯按最大小时热负荷或冷负荷设计地源热泵系统； 2，误导三北地区政府官员，在大片只需供暖的住宅小区推广地源热泵系统； 3，误导用户与业主，把“地下恒温带”只看作为一种“地热资源”来“利用”与“抢夺”，而不把它看作为一种“地下环境”来“保护”、“利用”、“监测”与“监管”。,五，当前地源热泵工程建设中的主要问题,我国的地源热泵建设，在某些地方政府的政策激励下，近年来发展迅猛，这既令人鼓舞的，又让人担忧，主要存在以下六方面的问题： 在计算地上空调建筑的冷、热负荷时，绝大部分工程不做全年的逐时动态负荷计算，只做冬、夏设计日24小时负荷计算，有的工程甚至用一些冷、热负荷指标
17、来套算冷、负荷量。因此，从冷、热负荷计算上就无法核查其全年的累计冷、热负荷平衡状况。,五，当前地源热泵工程建设中的主要问题, 在地下地埋管热交换器设计计算和地下水的抽取与回灌的设计计算中，只计算打井数量，埋管深度与埋管长度，不考虑夏季累计向地下释放热量与冬季累计从地下吸取热量的平衡，不计算地下岩土层、含水层的温度场的逐年变化与累计变化。 忽视水源热泵产品的选型、质量、能效、与使用寿命。其原因主要是因为大部分地源热泵工程的用户与业主，只知道或只关心在工程总造价上压价，不懂或不重视水源热泵选型配置和工程总造价的利害关系；不懂或不重视水源热泵选型的重要性，水源热泵的质量、能效与使用寿命和工程的投资、运行费用与寿命期成本的关系；此外，大部分地源热泵工程的设备采购权旁落在总承包单位，而且有一些总承包单位往往既是设计单位，又是水源热泵产品的生产单位。,
