地源熱泵由于其高效、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)，近年來(lái)日益受到人們的重視，尤其是在資源日益短缺、能源價(jià)格日益上漲的今天，節(jié)能環(huán)保成了當(dāng)前的主要話題。系統(tǒng)通過(guò)地源熱泵將環(huán)境中的熱能提取出來(lái)對(duì)建筑物供暖或者將建筑物中的熱能釋放到環(huán)境中去而實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的制冷，夏季可以將富余的熱能存于地層中以備冬用；同樣，冬季可以將富余的冷能貯存于地層以備夏用。這樣，通過(guò)利用地層自身的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物、環(huán)境的能量交換。該技術(shù)可以充分發(fā)揮淺層地表的儲(chǔ)能儲(chǔ)熱作用，達(dá)到環(huán)保、節(jié)能雙重功效，而被譽(yù)為21世紀(jì)最有效的空調(diào)技術(shù)。
1、土壤源熱泵發(fā)展現(xiàn)狀
1912年Zoelly首次提出了利用土壤作為熱泵系統(tǒng)的熱源設(shè)想，隨后申請(qǐng)了專利。國(guó)內(nèi)最早的土壤源熱泵開始于1989年。當(dāng)時(shí)，青島建筑工程學(xué)院同瑞典皇家工學(xué)院合作建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)土壤源熱泵實(shí)驗(yàn)室。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于地源熱泵系統(tǒng)的研究重點(diǎn)均放在地埋管換熱器的試驗(yàn)研究上，實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是單位管長(zhǎng)放熱量的確定、系統(tǒng)COP的確定等。實(shí)驗(yàn)的形式主要有：水平埋管熱泵系統(tǒng)供冷供熱試驗(yàn)、豎直套管式地埋管換熱器試驗(yàn)、豎直U型管熱泵系統(tǒng)冬夏季運(yùn)行試驗(yàn)研究等。重慶建筑大學(xué)、天津商學(xué)院、湖南大學(xué)等單位對(duì)土壤源熱泵也進(jìn)行了多年的研究。天津大學(xué)、清華大學(xué)分別與有關(guān)企業(yè)建成數(shù)個(gè)示范工程。土壤源熱泵系統(tǒng)越來(lái)越多的被房地產(chǎn)商所關(guān)注和采用。這些單位分別根據(jù)各自的地質(zhì)條件給出了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)對(duì)地埋管換熱器傳熱模型、地埋管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算模擬及影響地埋管換熱器傳熱的各種因素進(jìn)行了初步研究，取得了一些階段性成果。
2、淺析土壤源熱泵
2.1工作特點(diǎn)
土壤源熱泵是利用地下常溫土壤溫度相對(duì)穩(wěn)定的特性，通過(guò)深埋于建筑物周圍的管路系統(tǒng)與建筑物內(nèi)部完成熱交換的裝置。冬季從土壤中取熱，向建筑物供暖；夏季向土壤排熱，為建筑物制冷。它以土壤作為熱源、冷源，通過(guò)高效熱泵機(jī)組向建筑物供熱或供冷。高效熱泵機(jī)組的能效比一般能達(dá)到4.0kw/h以上，與傳統(tǒng)的冷水機(jī)組加鍋爐的配置相比，全年能耗可節(jié)省40%左右，初投資偏高，機(jī)房面積較小，節(jié)省常規(guī)系統(tǒng)冷卻塔可觀的耗水量，運(yùn)行費(fèi)用低，不產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保的功效（如圖1所示）。
2.2土壤源熱泵的應(yīng)用條件
通過(guò)對(duì)近幾年的工程實(shí)例和參考文獻(xiàn)的總結(jié)，得出4個(gè)條件：（1）同時(shí)具有夏冬空調(diào)負(fù)荷，并且年冷熱負(fù)荷較接近時(shí)對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行更有利；（2）當(dāng)?shù)叵峦寥罍囟仍?3-19℃時(shí)，土壤換熱器的效果最為顯著，而我國(guó)大部分的夏熱冬冷地區(qū)最為合適；（3）當(dāng)?shù)?00m之內(nèi)不存在堅(jiān)硬地層，且存在保水性好的砂土層對(duì)土壤源熱泵實(shí)施起來(lái)更有利；（4）具備合適的土壤換熱器布置面積，但要注意的是，不能一味追求土壤換熱器面積，而減少換熱器之間的間距，這樣不僅不會(huì)增加效率，反之還會(huì)降低換熱器的使用壽命。
2.3土壤源熱泵的影響因素
2.3.1土壤溫度
土壤的溫度是影響熱泵的主要因素之一。熱泵的效率主要取決于建筑物室內(nèi)與室外的溫度差，該溫度差減少則熱泵效率就提高。大地溫度最主要的特點(diǎn)就是它的延遲性和蓄熱性。在我國(guó)，15mm以下到15m土壤就進(jìn)入常溫層，土壤溫度相當(dāng)于該地區(qū)全年的平均氣溫，多數(shù)情況下比氣溫高1℃-2℃。從15m到20m以下，土壤的增溫率是3℃/m.當(dāng)深度達(dá)到100m以后，隨深度增加土壤溫度開始下降，土壤溫度不會(huì)受到室外氣溫和季節(jié)性的變化，根據(jù)土壤溫度可以知道，土壤源熱泵在制熱工況下很有利，其制熱性能系數(shù)大約是2.2-3.2.
2.3.2土壤特性
土壤的類型、熱特性、熱傳導(dǎo)性、密度和濕度等也是影響系統(tǒng)的主要原因。就地表而言，垂直地表的土壤熱特性要大于水平方向的熱特性（表1，表2）。
雖然卵石性土壤導(dǎo)熱系數(shù)高，但因石塊的含量使施工費(fèi)用大幅增加，因此粘土和砂地是土壤源埋管的很好選擇。另外土壤潮濕可以加大導(dǎo)熱系數(shù)，如果土壤潮濕或地下水位高，土壤接近飽和，那么導(dǎo)熱率將會(huì)提高。
2.4土壤源熱泵特點(diǎn)
2.4.1輔助動(dòng)力少
評(píng)價(jià)土壤源熱泵系統(tǒng)性能的參數(shù)之一是輔助動(dòng)力，它是系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的重要因素之一。室外設(shè)備不需要其他能量，僅設(shè)置管道泵作為水循環(huán)的動(dòng)力。水流速度是決定泵容量的主要因素之一。為了保證充分的熱交換和地下管道的水力平衡，地下埋管系統(tǒng)嚴(yán)格控制臨界速度，因?yàn)樗魈幱趯恿鳡顟B(tài)，傳熱會(huì)惡化，甚至由于水流速度慢，會(huì)出現(xiàn)氣塞現(xiàn)象，氣塞會(huì)造成水利不平衡。而在紊流狀態(tài)下增加流速不會(huì)對(duì)傳熱帶來(lái)多大的改善，因?yàn)榇藭r(shí)的熱阻主要由管道熱阻造成，水的熱阻相對(duì)來(lái)說(shuō)很小，此時(shí)增加流速只會(huì)增加泵的容量。
2.4.2運(yùn)行管理方便，運(yùn)行狀況好
土壤源熱泵另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)設(shè)備的維護(hù)要求不高。首先這種系統(tǒng)減少了室外許多運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，不需要冷卻塔、鍋爐這種長(zhǎng)期維護(hù)設(shè)備。另外對(duì)于熱泵系統(tǒng)來(lái)說(shuō)為了解決結(jié)霜問(wèn)題，人們不得不采用電加熱等方式，除霜融霜后的設(shè)備突然啟動(dòng)就更危險(xiǎn)。而熱泵系統(tǒng)與大地接觸，與大地?fù)Q熱保證了不會(huì)結(jié)霜。系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)部件少則系統(tǒng)噪音小，這很適用于對(duì)噪音有要求的住宅、醫(yī)院、學(xué)校等地區(qū)。
2.5土壤源熱泵與傳統(tǒng)中央空調(diào)的比較分析
2.5.1節(jié)能性分析
傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)采用風(fēng)冷或水冷換熱器，其換熱環(huán)境直接或間接為大氣，而大氣換熱不可避免的受到環(huán)境條件變換的影響。在夏季，當(dāng)室外溫度達(dá)到40℃時(shí)，由于換熱效率降低，冷量將下降20％-40％。在冬季，當(dāng)氣溫下降到-10℃時(shí)，供熱量將下降到15％-30％，而且要反復(fù)地除霜來(lái)保證機(jī)組的正常運(yùn)行。土壤源熱泵是一種利用可再生能源，經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能技術(shù)。它通過(guò)介質(zhì)和大地地表淺層（通常小于400米深）換熱。地表淺層是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，收集了47％的太陽(yáng)能。相當(dāng)于人類每年利用能量的500多倍。且不受地域資源等限制，是真正的量大面廣，無(wú)處不在。這是儲(chǔ)存于地表淺層近乎無(wú)限的可再生能源。土壤溫度全年基本穩(wěn)定且略低于年平均氣溫，可以分別在夏冬季提供相對(duì)較低的冷凝溫度和較高的蒸發(fā)溫度。所以從熱力學(xué)原理上講，土壤是一種比環(huán)境空氣更好的熱泵系統(tǒng)的冷熱源。而且土壤源熱泵系統(tǒng)不會(huì)把熱量、水蒸氣及細(xì)菌等排入大氣環(huán)境。符合當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。
2.5.2環(huán)境效益分析
夏季，風(fēng)冷機(jī)組和水冷機(jī)組均將廢熱排入大氣，使室外溫度升高；并且水冷機(jī)組還將水蒸氣帶入大氣中，冷卻塔的噪音及霉菌污染使周圍環(huán)境更差；在冬季，風(fēng)冷、水冷機(jī)組吸收環(huán)境中的熱量導(dǎo)致惡劣大氣環(huán)境更加惡劣。土壤源熱泵的污染物排放和空氣源熱泵相比減少40％以上，與電供暖相比減少70％，如果結(jié)合其他節(jié)能措施節(jié)能減排會(huì)更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調(diào)減少25％的用量，土壤源熱泵系統(tǒng)沒(méi)有冷卻塔等其他設(shè)備，為開發(fā)商節(jié)省了土地使用面積并改善了建筑物外部形象。
2.5.3技術(shù)性分析
采用土壤源熱泵系統(tǒng)由于土壤的溫度比室外空氣更接近室內(nèi)空氣的溫度，若設(shè)計(jì)合理，土壤源熱泵比風(fēng)冷熱泵更具有高的效率（如表3所示）。而且土壤源熱泵系統(tǒng)可用來(lái)供暖、空調(diào)、提供生活用水，一套系統(tǒng)可替換制冷鍋爐空調(diào)等裝置，一機(jī)多用。土壤源系統(tǒng)的COP值一般在3-6左右，比傳統(tǒng)空氣源系統(tǒng)相比要高出40％，其運(yùn)行費(fèi)用是普通中央空調(diào)的50％-60％。
2.5.4經(jīng)濟(jì)性分析
由于能量轉(zhuǎn)換和傳送過(guò)程不同，土壤源熱泵技術(shù)省去了產(chǎn)生熱水和冷凍水的過(guò)程，提高了機(jī)組的轉(zhuǎn)換效率，所以土壤源熱泵技術(shù)換熱效率更高，運(yùn)行費(fèi)用更低。與傳統(tǒng)采暖和制冷技術(shù)相比其節(jié)省率供暖時(shí)在50％-70%之間，制冷時(shí)在40%-60%之間。并且系統(tǒng)工作穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)備中制冷劑壓力過(guò)高或過(guò)低的現(xiàn)象，沒(méi)有室外裝置（冷卻塔、屋頂風(fēng)機(jī)等），其維護(hù)費(fèi)用大大低于中央空調(diào)（如表4所示），另外土壤源泵系統(tǒng)利用靈活，減少了投資。
3、結(jié)論
土壤源熱泵系統(tǒng)
應(yīng)用方面還有許多值得探討的問(wèn)題。一方面理論研究還不夠深入，關(guān)于地埋管數(shù)學(xué)模型、土壤特性模擬都還處于試驗(yàn)階段。另一方面是施工技術(shù)有相當(dāng)大的難度，這類系統(tǒng)不同于其他空調(diào)系統(tǒng)，涉及到鉆探工程是系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前，此類系統(tǒng)造價(jià)較高，因?yàn)閮H鉆探工程需要消耗60%的投資。但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和國(guó)家政策的鼓勵(lì)以及各方面人才的加入，我們相信，土壤源熱泵系統(tǒng)肯定有更好的將來(lái)。
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