摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了聊城地區(qū)地下巖土層熱物性，通過對(duì)某工程實(shí)例土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行分析，得出土壤源熱泵在聊城地區(qū)具有較高的能效比，適合在這一地區(qū)推廣使用。同時(shí)對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)在這一地區(qū)實(shí)際應(yīng)用中存在的問題提出了解決方法。
　　關(guān)鍵詞：聊城地區(qū)，地質(zhì)條件，土壤源熱泵，經(jīng)濟(jì)性分析
　　1引言
　　土壤源熱泵是一種利用地表淺層儲(chǔ)存的太陽輻射能和地表深層儲(chǔ)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(huán)境溫度變化的影響，由于地下土壤溫度夏季遠(yuǎn)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(tǒng)的效率遠(yuǎn)高于空氣源熱泵，又不受地下水資源的影響。該系統(tǒng)在歐美國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用，被充分證明是成熟可靠的技術(shù)。在我國(guó)，土壤源熱泵應(yīng)用實(shí)例越來越多，是建設(shè)部和一些省市建筑節(jié)能政策中明文規(guī)定要推廣使用的系統(tǒng)。
　　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(tǒng)是由一組水平或垂直埋于地下的高強(qiáng)度塑料管（土壤換熱器）、水源熱泵機(jī)組和建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成。與一般熱泵系統(tǒng)相比，其不同之處主要在于室外管路系統(tǒng)由埋設(shè)于土壤中的聚乙烯塑料盤管構(gòu)成，該盤管作為換熱器[1]，冬季從土壤中吸取熱量，相當(dāng)于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的鍋爐，夏季向土壤中釋放熱量，相當(dāng)于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)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(huán)路進(jìn)行循環(huán)，夏季循環(huán)液將室內(nèi)熱量釋放給地下巖土層，同時(shí)蓄存熱量以備用，冬季從巖土層內(nèi)提取熱量釋放給室內(nèi)空氣，整個(gè)大地作為一個(gè)蓄熱體。
　　3聊城地區(qū)推廣使用土壤源熱泵的可行性分析
　　3．1地質(zhì)條件
　　在設(shè)計(jì)土壤源熱泵前需要對(duì)建筑所在地的巖土層結(jié)構(gòu)、熱物性、溫度以及地下水水位、流向、凍土層厚度進(jìn)行勘探測(cè)定。某地源熱泵研究所對(duì)聊城深層土壤熱物性進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，聊城地區(qū)巖土層平均導(dǎo)熱系數(shù)范圍屬中等偏上水平，該地區(qū)地下傳熱條件適合采用埋管式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。該地區(qū)100m深度內(nèi)地質(zhì)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(dǎo)熱系數(shù)為1.887W/m•℃，地下傳熱能力較強(qiáng)。
　　3．2工程實(shí)例分析
　　3．2．1工程概況
　　該建筑群包括綜合樓、消防泵房、發(fā)油管理室3部分，綜合樓地上3層，消防泵房和發(fā)油管理室地上一層，總建筑面積2500平方米，空調(diào)面積2420平方米。建筑熱工性能按《山東省建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，節(jié)能50％。參照相關(guān)國(guó)家規(guī)范及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)計(jì)算，該建筑群夏季冷負(fù)荷207kW，冬季熱負(fù)荷161kW。
　　3．2．2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　該工程冷熱源采用豎直埋管土壤源熱泵系統(tǒng)，冬夏兩用。機(jī)房設(shè)置于消防泵房?jī)?nèi)，集中設(shè)置一臺(tái)熱泵機(jī)組，一套水處理設(shè)備，分集水器，用戶側(cè)和地埋管側(cè)分別設(shè)置兩臺(tái)水泵（一用一備）。夏季制冷時(shí)用戶側(cè)供回水溫度7/12℃，冬季供熱用戶側(cè)供回水溫度45/40℃。
　　末端采用風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管于室內(nèi)各設(shè)液晶顯示屏，根據(jù)室內(nèi)要求的溫度自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)盤管的開停及檔位，達(dá)到節(jié)能效果。
　　地埋管換熱器系統(tǒng)鉆孔孔徑Φ150mm，鉆孔深度為85m，鉆孔40個(gè)，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(lián)聯(lián)管方式，每四個(gè)鉆孔為一組，通過集箱與De50水平管連接。設(shè)計(jì)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(xiàng)
　　由于聊城地區(qū)埋管深度范圍內(nèi)的巖土層主要是粘土層，為防止鉆孔施工過程中出現(xiàn)蹋孔現(xiàn)象，鉆孔孔徑采用Φ150mm，同時(shí)采用水泥砂漿護(hù)壁。鉆機(jī)鉆孔的同時(shí)，要對(duì)地埋管材進(jìn)行一次壓力試驗(yàn)，檢查管材的氣密性。豎直鉆井下管結(jié)束后進(jìn)行二次試壓，確保管材在下管過程中不會(huì)被硬物劃傷。水平管道連接完畢后進(jìn)行3次壓力試驗(yàn)，壓力試驗(yàn)完畢后室外埋管系統(tǒng)就可以隱蔽回填了。回填時(shí)需要注意的是管道堅(jiān)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?lián)p壞。
　　3．2．4運(yùn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǎng)惡化，以至夏季冷凝器進(jìn)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(jì)算，夏季供冷時(shí)只供辦公室、宿舍及操作間，其他各種儲(chǔ)藏室、泵房、更衣室皆不開空調(diào)，這樣夏季空調(diào)面積為1136平方米，空調(diào)負(fù)荷97kW，排入地下熱量約125kW，與冬季從土壤吸取熱量基本達(dá)到平衡，有利于熱泵機(jī)組運(yùn)行。
　　該土壤源熱泵系統(tǒng)采用間歇運(yùn)行方式，每天運(yùn)行8小時(shí)，夏季供冷、冬季供熱各90天，開停比0.7，電費(fèi)按0.65元/度。經(jīng)計(jì)算，全年供熱、空調(diào)費(fèi)用19.9元/m2，聊城地區(qū)集中供熱20元/m2，可以看出土壤源熱泵運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)空調(diào)加集中供熱系統(tǒng)，節(jié)能效果顯著，適合在這一地區(qū)推廣運(yùn)行。
　　3．3節(jié)能經(jīng)濟(jì)性分析
　　傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)采用風(fēng)冷或水冷換熱器，其換熱環(huán)境直接或間接的為大氣，而大氣換熱不可避免的受環(huán)境條件變化的影響。在夏季，當(dāng)室外溫度達(dá)到40℃時(shí)，由于換熱效率降低，制冷量將下降20％-40％，在冬季，當(dāng)室外溫度下降到-10℃時(shí)，供熱量將下降15％-30％，要不斷除霜來保證機(jī)組正常運(yùn)行，機(jī)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(huán)境及季節(jié)變化[2]，且約等于當(dāng)年年平均氣溫。夏季地下土壤溫度遠(yuǎn)低于室外空氣溫度，可以為熱泵機(jī)組提供較低的冷凝溫度，熱泵夏季制冷系數(shù)與冷凝器進(jìn)水溫度密切相關(guān)，冷凝器進(jìn)水溫度每降一度，熱泵性能提高約3-5％；冬季土壤溫度遠(yuǎn)高于室外空氣溫度，可為熱泵機(jī)組提供較高蒸發(fā)溫度，制熱狀況蒸發(fā)溫度的的提高有利于提高機(jī)組效率。與風(fēng)冷式中央空調(diào)相比，土壤源熱泵系統(tǒng)冬季不需除霜，節(jié)省了大量除霜能量[3]。與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能15％-30%。
　　3．4社會(huì)環(huán)境效益分析
　　在夏季，傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)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(huán)境品質(zhì)變差。冬季，吸取大氣中的熱量使惡劣的大氣環(huán)境更加惡劣。暴露在建筑物上的冷卻塔或風(fēng)冷機(jī)組也不利于建筑物的美觀。土壤源熱泵系統(tǒng)將熱量或冷量排入地下，與空氣源熱泵相比不會(huì)造成城市熱島效應(yīng)，可以減少對(duì)地面的熱和噪音污染，而且土壤具有天然的自恢復(fù)能力和巨大的低位能蘊(yùn)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(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的一個(gè)重要原因[4]，由于聊城地區(qū)地下巖土層主要是粘土層，打井工作量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地下巖土層以巖石為主地區(qū)，雖然如此，聊城地區(qū)土壤源熱泵初投資也高于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)。
　　4．2冬夏吸排熱量不平衡造成熱堆積
　　從本文實(shí)際工程中可以看出，如按相同的制冷、制熱建筑面積計(jì)算，夏季排入地下的熱量是冬季取出熱量的2倍，這將導(dǎo)致地下土壤溫度逐年上升，溫度場(chǎng)惡化，導(dǎo)致夏季制冷時(shí)機(jī)組效率急劇下降，甚至低于風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)[5]。在土壤源熱泵設(shè)計(jì)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(shè)定，夏季多出負(fù)荷部分由冷卻塔承擔(dān)；二是地埋管按夏季設(shè)定，冬季熱泵除承擔(dān)建筑熱負(fù)荷外還承擔(dān)生活用熱水負(fù)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(jī)組間歇運(yùn)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(fù)荷設(shè)計(jì)，夏季再設(shè)置冷卻塔輔助冷卻將導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜繁瑣，如果冬夏季采用對(duì)不同的建筑面積進(jìn)行供暖供冷，也不是十分合理，因?yàn)橄募緹o需供冷的房間冬季也無需供暖。因此對(duì)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(fù)荷設(shè)計(jì)，冬季熱泵機(jī)組除供暖外還承擔(dān)生活熱水供應(yīng)，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(jié)論
　　本文從節(jié)能、環(huán)保的角度對(duì)土壤源熱泵和傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析，并結(jié)合某地源熱泵研究所對(duì)聊城深層土壤熱物性進(jìn)行的測(cè)試得出以下結(jié)論：
　　聊城地區(qū)巖土層100m深度內(nèi)主要為粘土層，地下水位較高，深層巖土平均導(dǎo)熱系數(shù)為1.887W/m•℃，地下傳熱能力較強(qiáng)，土壤源熱泵在這一地區(qū)具有較高的能效比，適合土壤源熱泵在該地區(qū)的推廣利用。由于聊城地區(qū)建筑夏季冷負(fù)荷高于冬季熱負(fù)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(jīng)過幾年運(yùn)行后必然導(dǎo)致地下溫度場(chǎng)溫度升高，導(dǎo)致夏季冷卻水出水溫度升高，降低了熱泵機(jī)組的制冷效率。解決這個(gè)問題的主要途徑：對(duì)于大型工程，建議采用土壤源熱泵和冷卻塔聯(lián)合運(yùn)行方式，地埋管按冬季負(fù)荷設(shè)計(jì)，夏季不能滿足部分由冷卻塔提供。對(duì)于建筑面積較小的建筑，建議地埋管按夏季負(fù)荷設(shè)計(jì)，冬季熱泵機(jī)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(xiàn)
　　1. 刁乃任、方肇洪.地埋管地源熱泵技術(shù).高等教育出版社.4；
　　2. 胡松濤，郭瀟瀟，李緒泉.地源熱泵技術(shù)在生活熱水供應(yīng)中的應(yīng)用.流體機(jī)械.2007-35（9）：62-64；
　　3. 徐亞娟、革非.土壤源熱泵的研究與用用.制冷與空調(diào).2005.4:76-79；
　　4. 馮健美.土壤熱源熱泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能分析[J].流體機(jī)械.2001.29(11):48-51；
　　5. 陳賀偉、楊昌智.土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)地下土壤溫度場(chǎng)變化的研究.建筑節(jié)能.2007.4:51-54；