地源熱泵市場前景

  地源熱泵空調夏天利用低溫井水制取7℃冷凍水制冷，冬天利用溫暖井水制取45-50℃熱水供暖，是冷暖一步到位的高檔中央空調。地面以上工程造價與其他中央空調基本一樣，只是多了地下工程造價，但可節省冷卻塔和鍋爐房投資總體造價并沒增加。夏季制冷可比一般空調節省50%電能，冬季供暖比用燃煤鍋爐節省40%費用，性價比很高。
 
  國家提倡建設節約型社會，國家強制建筑節能，不節能的房子不讓開工，不節能的房子不許銷售，房產開發推廣地源熱泵空調勢在必行。美國總統布什在自己的農莊帶頭安裝地源熱泵，英國王宮帶頭安裝地源熱泵，我國也在要求政府大樓帶頭安裝地源熱泵，全民推廣使用地源熱泵的高潮正在到來。
 
  《地源熱泵系統工程技術規范》(GB 50366-2005)解析。
 
  實施可持續發展能源戰略已成為新時期我國能源發展的基本方針，可再生能源在建筑中的應用是建筑節能工作的重要組成部分。2006年1月1日《可再生能源法》正式實施，地源熱泵系統作為可再生能源應用的主要途徑之一，同時也是最利于與太陽能供熱系筒充相結合的系統形式，近年來在國內得到了日益廣泛的應用。地源熱泵系統利用淺層地熱能資源進行供熱與空調，具有良好的節能與環境效益，但由于缺乏相應規范的約束，地源熱泵系統的推廣呈現出很大盲目性, 許多項目在沒有對當地資源狀況進行充分評估的條件下就匆匆上馬，造成了地源熱泵系統工作不正常。為規范地源熱泵系統的設計、施工及驗收，確保地源熱泵系統安全可靠的運行，更好地發揮其節能效益，由中國建筑科學研究院主編，會同13個單位共同編制了《地源熱泵系統工程技術規范》（以下簡稱《規范》）。
 
  該規范現已頒布，并于2006年1月1日起實施。
 
  由于地源熱泵系統的特殊性，其設計方法是其關鍵與難點，也是業內人士普遍關注的問題，同時也是國外熱點課題，在新頒布的規范》中首次對其設計方法提出了具體要求。
 
  （一）《規范》的適用范圍及地源熱泵系統的定義。
 
  1．《規范》的適用范圍。
 
  《規范》適用于以巖土體、地下水、地表水為低溫熱源，以水或添加防凍劑的水溶液為傳熱介質，采用蒸汽壓縮熱泵技術進行供熱、空調或加熱生活熱水的系統工程的設計、施工及驗收。它包括以下兩方面的含義：
 
  (1)“以水或添加防凍劑的水溶液為傳熱介質”，意指不適用于直接膨脹熱泵系統，即直接將蒸發器或冷凝器埋人地下的一種熱泵系統。該系統目前在北美地區別墅或小型商F掃建筑中應用，它的優點是成孔直徑小、效率高、也可避免使用防凍劑。但制冷劑泄漏危險f生較大，僅適于小規模應用。
 
  (2)“采用蒸氣壓縮熱泵技術進行…”，意指不包括吸收式熱泵。
 
  2．地源熱泵系統的定義。
 
  地源熱泵系統根據地熱能交換系統形式的不同，分為地埋管地源熱泵系統（簡稱地坶管。系統）、地下水地源熱泵系統（簡稱地下水系統）和地表水地源熱泵系統（簡稱地表水系統）。其中地埋管地源熱泵系統也稱地耦合系統( closed - loopground - coupledheatpump。ystem)或土壤源地源熱泵系統，考慮實際應用中人們的稱呼習慣，同時便于理解，《規范》
 
  定義為地埋管地源熱泵系統。地表水系統中的地表水是一個廣義的概念，包括河流、湖泊、海水、中水或達到國家排放標準的污水、廢水等。只要是以巖土體、地下水或地表水為氐溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建筑物內系統組成的供熱空調系統，統稱為也源熱泵系統。
 
  （二）地源熱泵系統的設計特點。
 
  1．地源熱泵系統受低位熱源條件的制約。
 
  對地埋管系統，除了要有足夠的埋管區域還要有比較適合的巖土體特性。堅硬的巖土體將增加施工難度及初投資，而松軟巖土黼9地質變形對地埋管換熱器也會產生不利影響。為此，工程勘察完成后，應對地埋管換熱系統實施的可行性及經濟性進行評估。
 
  對地下水系統，首先要有持續水源的保證，同時還要具備可靠的回灌能力。《規范》中強制規定“地下水換熱系統應根據水文地質勘察資料進行設計，并必須采取可靠回灌措施，確保置換冷量或熱量后的地下水全部回灌到同一含水層，不得對地下水資源造成浪費及污染。系統投入運行后，應對抽水量、回灌量及其水質進行監測”。
 
  對地表水系統，設計前應對地表水系統運行對水環境的影響進行評估。地表水換熱系統設計方案應根據水面用途，地表水深度、面積、水質、水位、水溫情況綜合確定。
 
  2．地源熱泵系統受低位熱源的影響很大。
 
  低位熱源的不定因素非常多，不同的地區、不同的氣象條件，甚至同一地區不同區域，低位熱源也會有很大差異，這些因素都會對地源熱泵系統設計帶來影響。如地埋管系統，巖土體熱物性對地埋管換熱器的換熱效果有很大影響，單位管長換熱能力差別可達3倍或更多。
 
  3．設計相對復雜。
 
  低位熱源換熱系統是地源熱泵系統特有的內容，也是地源熱泵系統設計的關鍵和難點。地下換熱過程是一個復雜的非穩態過程，影響因素眾多，計算過程復雜，通常需要借助專用軟件才能實現。
 
  地源熱泵系統設計應考慮低位熱源長期運行的穩定性。方案設計時應對若干年后巖土體的溫度變化，地下水水量、溫度的變化，地表水體溫度的變化進行預測，根據預測結果確定應采用的系統方案。
 
  地源熱泵系統與常規系統相比，增加了低位熱源換熱部分的投資，且投資比例較高，為了提高地源熱泵系統的綜合效益，或由于受客觀條件限制，低位熱源不能滿足供熱或供冷要求時，通常采用混合式地源熱泵系統，即采用輔助冷熱源與地源熱泵系統相結合的方式。確定輔助冷熱源的過程，也就是方案優化的過程，無形中提高了方案設計的難度。
 
  （三）地源熱泵系統設計要點。
 
  1．地埋管系統。
 
  由于地埋管系統通過埋管換熱方式將淺層地熱能資源加以利用，避免了對地下水資源的依賴，近年來得到了越來越廣泛的應用。但地埋管系統的設計方法一直沒有明確規定，通常設計院將地埋管換熱設計交給專業工程公司完成。除少數有一定技術實力的公司引進了國外軟件，可作一些分析外，通常專業公司只是根據設計負荷，按經驗估算確定埋管數量及埋深，對動態負荷的影響缺乏分析，對長期運行效果沒有預測，造成地埋管區域巖土體溫度持續升高或降低，從而影響地埋管換熱器的換熱性能，降低地埋管換熱系統的運行效率。
 
  因此，保證地埋管系統長期穩定運行是地埋管換熱系統設計的首要問題，在保證需求的條件下，地埋管換熱系統設計應盡呵能降低初投資及運行費用。
 
  1)負荷計算。
 
  地埋管系統是否能夠可靠運行取決于埋管區域巖土體溫度是否能長期穩定。
 
  以一棟總建筑面積為2 100矗的小型辦公建筑為例，選取4個具有代表性的地區：
 
  北京、上海、沈陽和齊齊哈爾，利用TRNSYS模擬地源熱泵系統連續運行5年后。
 
  由于吸、釋熱量不平衡造成巖土體溫度的持續升贏或降低，導致進入水源熱泵機組的傳熱介質溫度變化很大，該溫度的提高或降低，都會帶來瘩源熱泵機組性能系數的降低，不僅影響地源熱泵系統的供冷供熱效果-，也降低了地源熱泵系統的整體節能性。為此《規范》明確規定，“地埋管換熱系統設計應進行全年動態負荷計算，最小計2周期宜為1年。計算周期內，地源熱泵系統總釋熱量宜與其總吸熱量相平衡”。
 
  2)地埋管換熱器設計。
 
  地埋管換熱器設計是地埋管系統設計特有的內容和核心。由于地埋管換熱器換熱效果不僅受巖土體導熱性能及地下水流動情況等地質條件的影響，同時建筑物全年動態負荷、巖土體溫度的變化、地埋管管材、地埋管形式及傳熱介質特性等因素都會影響地埋管換熱器的換熱效果。
 
  地埋管換熱器有兩種主要形式，即豎直地埋管換熱器（以下簡稱豎直埋管）和水平地埋管換熱器（以下簡稱水平埋管）。由于水平埋管占地面積較大，目前應用以豎直埋管居多。
 
  3)巖土體熱物性的確定。
 
  巖土體熱物性的確定是豎直埋管設計的關鍵。《規范》中規定“地埋管換熱器設計計算宜根據現場實測巖土體及回填料熱物性參數進行”。巖土體熱物性可以通過現場測試，以擾動一響應方式獲得，即在擬埋管區域安裝同規格、同深度的豎直埋管，通過水環路，將一定熱量（擾動）加給豎直埋管，記錄熱響應數據。通過對這些數據的分析，獲得測試區域巖土體的導熱系數、擴散系數及溫度。分析方法主要有3種，即線源理論、柱源理論及數值算法。實際應用中，如有可能，應盡量采用兩種以上的方法同時分析，以提高分析的可靠性。
 
  巖土體熱物性測試要求測試時間為36-48 h，  供熱量應為50-80 W/m，流量應滿足供回水溫差11-22℃的需要，被測豎直埋管安裝完成后，根據導熱系數不同，需要3-5 d的等待期，此外對測量精度等也有具體要求。
 
  目前測試設備有兩種，一種是小型便攜式，另一種是大型車載系統，后者可以提供較大能量加熱系統，最新設備還可以提供冷凍水測試冬季運行工況，具有更好的精度及可靠性。
 
  4)豎直埋管地下傳熱計算。
 
  地下傳熱模型基本是建立在線源理論或柱源理論基礎上。1954年Ingersoll和Zobel提出將柱源傳熱方程作為計算埋管換熱器的合適方法，1985年Kavanaugh考慮U形排歹|j和逐時熱流變化對該方法進行了改進。
 
  實際工程設計中很少使用這種乏味的計算，20世紀80年代人們更傾向于根據經驗進行設計。80年代末，瑞典開發出一套計算結果可靠且使用簡單的軟件，其數值模型采用的是Eskilson(1987)提出的方法，該方法結合解析與數值模擬技術，確定鉆孔周圍的溫度分布，在一定初始及邊界條件下，對同一土質內單一鉆孔建立瞬時有限差分方程，進行二維數值計算獲得單孔周圍的溫度分布。通過對單孔溫度場的附加，得到整個埋管區垅相應的溫度情況。為便于計算，將埋管區域的溫度響應轉換成一系列無因次溫度響應系數，這些系數被稱為g - functions。通過g- functions可以計算一個時間步長的階梯熱輸入引起的埋管溫度的變化，有了g - functions，任意釋熱源或吸熱源影響都可轉化成一系列階梯熱脈沖進行計算。1999年Yavuzturk和Spitler對Eskilson的g- functions進行了改進，使該方法適用于短時間熱脈沖。
 
  1984年Kavanaugh使用圓柱形源項處理，利用穩態方法和有效熱阻方法近似模擬逐時吸熱與釋熱變化過程。《規范》中附錄B采用類似方法，給出了豎直地埋管換熱器的設：
 
  計計算方法，供設計選用。
 
  水平埋管由于占地問題，大多城市住宅或公建均很難采用。由于應用較少，國內外對一其換熱機理研究也很少，目前主要是根據經驗數值進行估算。2003年ASHRAE手冊給出了一些推薦數據，供設計選用。主流地埋管設計軟件基本上均包括水平埋管的計算。
 
  5)設計軟件。
 
  通常地埋管設計計算是由軟件完成的。一方面是因為地下換熱過程的復雜性，為可能節約埋管費用，需要對埋管數量作準確計算。另一方面地埋管設計需要預測隨建筑負荷的變化埋管換熱器逐時熱響應情況及巖土體長期溫度變換情況。加拿大國家標準（CAN/CSA - C448.1）中對地埋管系統設計軟件明確提出了以下要求：
 
  (1)能計算或輸入建筑物全年動態負荷。
 
  (2)能計算當地巖土體平均溫度及地表溫度波幅。
 
  (3)能模擬巖土體與換熱管間的熱傳遞及巖土體長期儲熱效果。
 
  (4)能計算巖土體、傳熱介質及換熱管的熱物性。
 
  (5)能對所設計系統的地埋管換熱器的結構進行模擬（如鉆孔直徑、換熱器類型、灌漿情況等）。
 
  為此，《規范》中規定“地埋管設計宜采用專用軟件進行”。
 
  判斷軟件復雜程度的標準有兩個：一是在滿是埋管換熱器設計要求的前提下，用戶輸入最少，計算時間最短。二是要求能模擬預測隨建筑負荷查化，埋管換熱器逐時熱響應情況。
 
  目前，在國際上比較認可的有建立在g一fun算法基礎上璃典隆德hmd大學開發的EED程序，美國威斯康星Wisconsin - Madison大學SolarEnergy實驗室(SEI)開發的TRNSYS程序，美國俄克拉荷馬州Oklahona大學開發的GLHEPRO程序。此外還有加拿大NRC開發的GS2000，以及建立在利用穩態方法和有效熱阻方法近似模擬基礎上的軟件GchpCalc等。
 
  2．地下水系統。
 
  地下水系統是目前地源熱泵系統應用最廣的一種形式，據不完全統計，目前國內地下水項目已近300個。對于較大系統，地下水系統的投資遠低于地埋管系統，這也是該系統得以廣泛應用的主要原因。
 
  (1)熱源井設計必須保證持續出水量需求及長期可靠回灌。不得對地下水資源造成浪費和污染，是地下水系統應用的前提。地下水屬于一種地質資源，如無可靠的回灌，不僅造成水資源的浪費，同時地下水大量開采還會引起地面沉降、地裂縫、地面塌陷等地質問題。在國內的實際使用過程中，由于地質及成井工藝的問題，回灌堵塞問題時有發生。
 
  堵塞原因與熱源井設計及施工工藝密切相關，為此《規范》明確要求“熱源井的設計單位應具有水文地質勘察資質”。設計時熱源井井口應嚴格封閉并采取減少空氣侵入的措施也是保障可靠回灌的必要措施。
 
  (2)水質處理。水質處理是地下水系統的另一關鍵。地下水水質復雜，有害成分有鐵、錳、鈣、鎂、二氧化碳、溶解氧、氯離子、酸堿度等。為保證系統正常運行，通常根據地下水的水質不同，采用相應的處理措施，主要包括除砂、除鐵等。為了保證水源熱泵機組的正常運行，《規范》要求“地下水換熱系統應根據水源水質條件采用直接或間接系統”。
 
  (3)地下水流量控制。抽水泵功耗過高是目前地下水系統運行存在的普遍問題。在對國內部分地下水系統的調查時發現，大多數地下水系統沒有調節措施，長期定流量運行，只有少數系統采用了臺數控制。據相關資料介紹，在不良的設計中，井水泵的功耗可以占總能耗的25%或更多，使系統整體性能系數降低。
 
  根據負荷需求調節地下水流量，具有很大節能潛力。《規范》中也建議“水系統宜采用變流量設計”。常用抽水泵控制方法有設置雙限溫度的雙位控制、變速控制和多井調節控制。在設計時應根據抽水井數、系統形式和初投資綜合選用適合的控制方式。
 
  北京市海淀區對水源熱泵回灌下游水質跟蹤檢測3年多，未發現有污染和異常。歐洲、北美等地已使用20-30年。只要嚴格控制鑿井深度在淺表地層，嚴格禁止深入飲用水層以避免對飲用水的層間交叉污染，同時在設計、施工上嚴格把關，真正做到可靠回灌，地下水系統不會對地下水資源造成浪費和污染。
 
  3．地表水系統。
 
  地表水系統分開式和閉式兩種，開式系統類似于地下水系統，閉式系統類似于地埋管系統。但是地表水體的熱特性與地下水或地埋管系統有很大不同。
 
  與地埋管系統相比，地表水系統的優勢是沒有鉆孔或挖掘費用，投資相對低。缺點是設在公共水體中的換熱管有被損害的危險，而且如果水體小或淺，水體溫度隨空氣溫度變化較大。
 
  (1)設計J應評估系統運行對水環境的影響。預測地表水系統長期運行對水體溫度的影響，避免對水體生態環境產生影響。確定換熱盤管敷設位置及方式時，應考慮對行船等水面用途的影響。
 
  (2)掌握地表水的水溫動態變化規律是閉式系統設計的前提。地表水體的熱傳導主要有三種形式，一是太陽輻射熱。二是與周圍空氣間的對流換熱。三是與巖土體間的熱傳導。由于很難獲得水體溫度的實測數據，通常水體溫度是根據室外空氣溫度，通過軟件模擬計算獲得。
 
  (3)與地埋管系統一樣，閉式地表水系統設計也是借助軟件進行。
 
  (4)利用TRNSYS建立地表水換熱模型，模擬冬夏吸釋熱量不平衡時水體溫度的變化。對地表水體進行10年運行期的換熱模擬發現每年的溫度變化基本一致。說明地表水體與外界環境換熱量相對較大，一般可以趟除冬夏吸釋熱量不乎衡對水體溫度的影響。
 
  (5)與地下水系統相類似，地表水系統同樣面臨水質處理的問題。就海水源系統來說，該問題更加突出。我國濱臨渤海、黃海、東海、南海，有著很長的海岸線，海水作為熱容量最大的水體，理應成為地表水系統的首選低位熱源。但海水對設備的腐蝕性成為海水源熱泵發展的一個瓶頸。為此《規范》中特別對海水源系統作了如下規定：“當地表水體為海水時，與海水接觸的所有設備、部件及管道應具有防腐、防生物附著的能力。與海水連通的所有設備、部件及管道應具有過濾、清理的功能。”
 
  4．建筑物內系統。
 
  (1)選用適宜地源熱泵系統的水源熱泵機組。國家現行標準《水源熱泵機組》
 
  ( GB/T 19409)中，對不同地源熱泵系統，相應水源熱泵機組正常工作的冷（熱）源溫度范圍也是不同的。
 
  (2)水源熱泵機組及末端設備應按實際運行參數選型。不同地區巖土體、地下水或地表水水溫差別較大，設計時應按實際水溫參數進行設備選型。進入機組溫度不同，機組COP相差很大。末端設備選擇時應適合水源熱泵機組供、回水溫度的特點，保證地源熱泵系統的應用效果，提高系統節能率。
 
  （四）地源熱泵系統優化。
 
  1．輔助冷熱源優化配置。
 
  帶輔助冷熱源的混合式系統，由于它可有效減少埋管數量或地下（表）水流量或地表水換熱盤管的數量，同時也是保障地埋管系統吸釋熱量平衡的主要手段，已成為地源熱泵系統應用的主要形式。《規范》中規定“在技術經濟合理時，可采用輔助熱源或冷卻源與地埋管換熱器并用的調峰形式”。
 
  對混合式系統的優化模擬分析，即以生命周期內費用最低為目標，對混合式系統運行能耗及投資情況進行模擬計算分析，優化配置輔助加熱及散熱設備，也是目前國際上廣泛研究與分析的熱點。
 
  與地源熱泵系統設計相關的軟件有兩大類，一類是埋管換熱器設計軟件。另一類是能夠提供方案優化分析、模擬系統能耗及經濟分析的軟件。許多軟件均具備雙重功能，如TRNSYS、GS2000等。
 
  2．優化確定地下水流量。
 
  地下水系統設計時應以提高系統綜合性能系數為目標，考慮抽水泵與水源熱泵機組能耗間的平衡，確定地下水的取水量。地下水流量增加，水源熱泵機組性能系數提高，但抽水泵能耗明顯增加。相反地下水流量較少，水源熱泵機組性能系數較低，但抽水泵能耗明顯減少，因此地下水系統設計應在兩者之間尋找平衡點，同時考慮部分負荷下兩者的綜合性能，計算不同工況下系統的綜合性能系數，優化確定地下水流量。該項工作對有效降低地下水系統運行費用至關重要。
 
  3．節能控制策略。
 
  地源熱泵系統宜采用變水量設計。針對典型建筑模型，利用TRNSYS建立地下水能耗模擬模型，對定流量運行能耗進行模擬。
 
  水泵電耗占全年總耗電量的34%。如果水泵流量根據負荷需求進行變頻控制，理論模擬結果為：大部分月份的節約電量都在一半以上，尤其是負荷較小的月份。所有水泵電耗由總電耗的34%降為19%。可見采取變流量措施具有明顯節能效益。
 
  地埋管系統應根據負荷變化，配合變流量措施，采用分區輪換間歇運行的方式，使巖土體溫度得到有效恢復，提高系統換熱效率。