摘要：本文簡要介紹了聊城地區地下巖土層熱物性，通過對某工程實例土壤源熱泵系統的設計及運行分析，得出土壤源熱泵在聊城地區具有較高的能效比，適合在這一地區推廣使用。同時對土壤源熱泵系統在這一地區實際應用中存在的問題提出了解決方法。
　　關鍵詞：聊城地區，地質條件，土壤源熱泵，經濟性分析
　　1引言
　　土壤源熱泵是一種利用地表淺層儲存的太陽輻射能和地表深層儲存的大地能量（皆是可再生能源），以土壤為冷源、熱源的地源熱泵。在地表以下一定深度，巖土層溫度基本恒定，它不受外界大氣環境溫度變化的影響，由于地下土壤溫度夏季遠低于室外空氣溫度，冬季又比室外空氣溫度高，因此土壤源熱泵系統的效率遠高于空氣源熱泵，又不受地下水資源的影響。該系統在歐美國家已得到廣泛應用，被充分證明是成熟可靠的技術。在我國，土壤源熱泵應用實例越來越多，是建設部和一些省市建筑節能政策中明文規定要推廣使用的系統。
　　2土壤源熱泵流程及工作原理
　　
　　圖1土壤源熱泵流程原理圖
　　土壤源熱泵系統是由一組水平或垂直埋于地下的高強度塑料管（土壤換熱器）、水源熱泵機組和建筑物內系統組成。與一般熱泵系統相比，其不同之處主要在于室外管路系統由埋設于土壤中的聚乙烯塑料盤管構成，該盤管作為換熱器[1]，冬季從土壤中吸取熱量，相當于常規空調系統的鍋爐，夏季向土壤中釋放熱量，相當于常規空調系統中的冷卻塔，其流程圖如圖1所示。水或防凍溶液通過地埋管閉式環路進行循環，夏季循環液將室內熱量釋放給地下巖土層，同時蓄存熱量以備用，冬季從巖土層內提取熱量釋放給室內空氣，整個大地作為一個蓄熱體。
　　3聊城地區推廣使用土壤源熱泵的可行性分析
　　3．1地質條件
　　在設計土壤源熱泵前需要對建筑所在地的巖土層結構、熱物性、溫度以及地下水水位、流向、凍土層厚度進行勘探測定。某地源熱泵研究所對聊城深層土壤熱物性進行了測試，測試結果表明，聊城地區巖土層平均導熱系數范圍屬中等偏上水平，該地區地下傳熱條件適合采用埋管式地源熱泵空調系統。該地區100m深度內地質情況單一，主要是粘土層，土壤溫度15.2℃。地下水位較高，土壤含濕量大，深層巖土平均導熱系數為1.887W/m•℃，地下傳熱能力較強。
　　3．2工程實例分析
　　3．2．1工程概況
　　該建筑群包括綜合樓、消防泵房、發油管理室3部分，綜合樓地上3層，消防泵房和發油管理室地上一層，總建筑面積2500平方米，空調面積2420平方米。建筑熱工性能按《山東省建筑節能設計標準》，節能50％。參照相關國家規范及設計標準，經計算，該建筑群夏季冷負荷207kW，冬季熱負荷161kW。
　　3．2．2系統設計
　　該工程冷熱源采用豎直埋管土壤源熱泵系統，冬夏兩用。機房設置于消防泵房內，集中設置一臺熱泵機組，一套水處理設備，分集水器，用戶側和地埋管側分別設置兩臺水泵（一用一備）。夏季制冷時用戶側供回水溫度7/12℃，冬季供熱用戶側供回水溫度45/40℃。
　　末端采用風機盤管系統，每臺風機盤管于室內各設液晶顯示屏，根據室內要求的溫度自動控制風機盤管的開停及檔位，達到節能效果。
　　地埋管換熱器系統鉆孔孔徑Φ150mm，鉆孔深度為85m，鉆孔40個，井間距4m。豎直埋管采用De32單U聚乙烯管，水平埋管為De50管，豎直埋管采用分組并聯聯管方式，每四個鉆孔為一組，通過集箱與De50水平管連接。設計夏季埋管供回水溫度26/31℃，冬季埋管供回水溫度9/4℃。
　　3．2．3施工注意事項
　　由于聊城地區埋管深度范圍內的巖土層主要是粘土層，為防止鉆孔施工過程中出現蹋孔現象，鉆孔孔徑采用Φ150mm，同時采用水泥砂漿護壁。鉆機鉆孔的同時，要對地埋管材進行一次壓力試驗，檢查管材的氣密性。豎直鉆井下管結束后進行二次試壓，確保管材在下管過程中不會被硬物劃傷。水平管道連接完畢后進行3次壓力試驗，壓力試驗完畢后室外埋管系統就可以隱蔽回填了。回填時需要注意的是管道堅決杜絕與硬物直接接觸，防止管道在受外界壓力作用的情況下損壞。
　　3．2．4運行分析
　　地埋管夏季排入土壤熱量約250kW，冬季從土壤吸取熱量約130kW。可以看出夏季排入熱量遠遠大于冬季從土壤吸取熱量，容易形成熱堆積，使土壤溫度上升，溫度場惡化，以至夏季冷凝器進水溫度上升使熱泵性能下降。本文供熱面積還是按2420平方米計算，夏季供冷時只供辦公室、宿舍及操作間，其他各種儲藏室、泵房、更衣室皆不開空調，這樣夏季空調面積為1136平方米，空調負荷97kW，排入地下熱量約125kW，與冬季從土壤吸取熱量基本達到平衡，有利于熱泵機組運行。
　　該土壤源熱泵系統采用間歇運行方式，每天運行8小時，夏季供冷、冬季供熱各90天，開停比0.7，電費按0.65元/度。經計算，全年供熱、空調費用19.9元/m2，聊城地區集中供熱20元/m2，可以看出土壤源熱泵運行費用遠低于傳統空調加集中供熱系統，節能效果顯著，適合在這一地區推廣運行。
　　3．3節能經濟性分析
　　傳統空調系統采用風冷或水冷換熱器，其換熱環境直接或間接的為大氣，而大氣換熱不可避免的受環境條件變化的影響。在夏季，當室外溫度達到40℃時，由于換熱效率降低，制冷量將下降20％-40％，在冬季，當室外溫度下降到-10℃時，供熱量將下降15％-30％，要不斷除霜來保證機組正常運行，機組效率急劇下降。研究表明，地下5m以下土壤溫度基本不隨外界環境及季節變化[2]，且約等于當年年平均氣溫。夏季地下土壤溫度遠低于室外空氣溫度，可以為熱泵機組提供較低的冷凝溫度，熱泵夏季制冷系數與冷凝器進水溫度密切相關，冷凝器進水溫度每降一度，熱泵性能提高約3-5％；冬季土壤溫度遠高于室外空氣溫度，可為熱泵機組提供較高蒸發溫度，制熱狀況蒸發溫度的的提高有利于提高機組效率。與風冷式中央空調相比，土壤源熱泵系統冬季不需除霜，節省了大量除霜能量[3]。與傳統空調系統相比，土壤源熱泵空調系統節能15％-30%。
　　3．4社會環境效益分析
　　在夏季，傳統空調系統將廢熱排入大氣，使室外溫度增高，冷卻塔的噪音及霉菌污染使周圍環境品質變差。冬季，吸取大氣中的熱量使惡劣的大氣環境更加惡劣。暴露在建筑物上的冷卻塔或風冷機組也不利于建筑物的美觀。土壤源熱泵系統將熱量或冷量排入地下，與空氣源熱泵相比不會造成城市熱島效應，可以減少對地面的熱和噪音污染，而且土壤具有天然的自恢復能力和巨大的低位能蘊藏量。地埋管可布置在道路、草坪甚至建筑物下，不占用地上空間。
　　4土壤源熱泵局限性
　　4．1初投資較高
　　土壤源熱泵其垂直埋管需要打井、回填，這是土壤源熱泵初投資高于傳統空調系統的一個重要原因[4]，由于聊城地區地下巖土層主要是粘土層，打井工作量遠遠低于地下巖土層以巖石為主地區，雖然如此，聊城地區土壤源熱泵初投資也高于傳統空調系統。
　　4．2冬夏吸排熱量不平衡造成熱堆積
　　從本文實際工程中可以看出，如按相同的制冷、制熱建筑面積計算，夏季排入地下的熱量是冬季取出熱量的2倍，這將導致地下土壤溫度逐年上升，溫度場惡化，導致夏季制冷時機組效率急劇下降，甚至低于風冷熱泵系統[5]。在土壤源熱泵設計過程中，一般解決熱堆積問題主要有以下幾種途徑，一是地埋管按冬季工況設定，夏季多出負荷部分由冷卻塔承擔；二是地埋管按夏季設定，冬季熱泵除承擔建筑熱負荷外還承擔生活用熱水負荷，使排入、吸取土壤熱量趨于平衡；此外增加埋管間間距和機組間歇運行也可以在一定程度上解決地下巖土層熱堆積問題。本工程由于建筑面積較小，如果埋管按冬季負荷設計，夏季再設置冷卻塔輔助冷卻將導致系統復雜繁瑣，如果冬夏季采用對不同的建筑面積進行供暖供冷，也不是十分合理，因為夏季無需供冷的房間冬季也無需供暖。因此對于本工程這種小型建筑，比較合理的解決吸排熱不平衡問題的方法是地埋管按夏季負荷設計，冬季熱泵機組除供暖外還承擔生活熱水供應，這樣有利于解決由于吸排熱不平衡造成的地下熱堆積問題。
　　5結論
　　本文從節能、環保的角度對土壤源熱泵和傳統空調系統進行了對比分析，并結合某地源熱泵研究所對聊城深層土壤熱物性進行的測試得出以下結論：
　　聊城地區巖土層100m深度內主要為粘土層，地下水位較高，深層巖土平均導熱系數為1.887W/m•℃，地下傳熱能力較強，土壤源熱泵在這一地區具有較高的能效比，適合土壤源熱泵在該地區的推廣利用。由于聊城地區建筑夏季冷負荷高于冬季熱負荷，夏季地埋管向土壤傳遞的熱量高于冬季從土壤吸取的熱量，經過幾年運行后必然導致地下溫度場溫度升高，導致夏季冷卻水出水溫度升高，降低了熱泵機組的制冷效率。解決這個問題的主要途徑：對于大型工程，建議采用土壤源熱泵和冷卻塔聯合運行方式，地埋管按冬季負荷設計，夏季不能滿足部分由冷卻塔提供。對于建筑面積較小的建筑，建議地埋管按夏季負荷設計，冬季熱泵機組提供生活熱水，如有條件的話盡量增大埋管間間距。
　　參考文獻
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