0 引言在各级政府鼓励与推动下,运用市场机制,我国的地源热泵系统的工程应用得到迅速发展并取得可喜成绩。根据文献[1]的调查统计,近10年来我国除港、澳、台地区外的31个省、自治区已建成了2537项地源热泵系统工程。这和全国同时起步的蓄冷空调工程的建设相比,无疑是快了很多,也是值得业界人士高兴的大事。作为行业的一个成员,10多年来笔者一直关注地源热泵系统的建设与发展,为了使我国的地源热泵系统的应用与建设能更健康和更稳步地发展,笔者就所观察与感觉到的若干问题提出来与同行们一起讨论。
0 引言
在各级政府鼓励与推动下,运用市场机制,我国的地源热泵系统的工程应用得到迅速发展并取得可喜成绩。根据文献[1]的调查统计,近10年来我国除港、澳、台地区外的31个省、自治区已建成了2537项地源热泵系统工程。这和全国同时起步的蓄冷空调工程的建设相比,无疑是快了很多,也是值得业界人士高兴的大事。作为行业的一个成员,10多年来笔者一直关注地源热泵系统的建设与发展,为了使我国的地源热泵系统的应用与建设能更健康和更稳步地发展,笔者就所观察与感觉到的若干问题提出来与同行们一起讨论。
1 地热利用与地源热泵系统
众所周知,地球热量来自两部分:太阳发射到地球表面的能量和地球内部放射性元素衰变释放的能量。因前者的能量是后者的5000倍,故太阳能是驱动地球大气圈与水圈运动的原动力,是控制地球气候的主要因素。
地球虽是一个已被冷却和固态化了的星球,但其内部结构可划为地表、地壳、地幔、熔融的外核与固体内核。地表2 885 km以下至地心部分(即熔融的外核与固体内核)俗称地核,其温度大约在4 000~5 000℃之间(一些地学家们的实验数据表明,地心温度可能高达6 000~8 000℃)。地壳的岩石既有效地防止了地球内部的热量向太空散失,又很好地保护了地球生物免遭地下高温烫伤。但即使有了这样好的地壳绝热保护,地球也会像人体散热一样无时无刻不在散发着热量,每年仍有44TW热能从地球表面流出,相当于全球电能消耗的4.4倍[2]。
地热能一部分通过板块运动(plate motion)与火山活动(volcanism)在地球表面附近以高温形式表现出来,另一部分在有水存在的地质结构条件下,通过导热与对流方式,从地壳的较深部位传递到地球表面,在特定的地质条件下通常还以温泉形式喷出地表。就目前的科学技术水平而论,前一部分的板块运动与火山活动的地热能,仍旧是人类不能控制与不可利用的,但是后一部分的以水(或蒸汽)为载体的地热能是可控与可利用的。目前所谓“地热利用”就是专指利用这一部分的地热能。
按类型来划分,地热资源可分为以下五类[3]:
1)熔融点资源(igneous point sources);
2)在高热流地区中深处的对流循环(deepconvective circulation in areas of high regionalheat flow);
3)地压力资源(geopressured resources);
4)集中的放射性热源( concentratedradiogenic heat sources);
5)在具有接近正常温度梯度地区的深层含水层(deep regional aquifers in areas of near-normalgradient)。
现阶段人类利用地热资源,主要是利用上述的最后一种地热资源。
按地热的温度来划分,一般把上述所利用的地热资源分为三个温度等级:
高温 t>150℃
中温 90℃
低温 t<90℃
t>150℃的地热资源主要用于发电,但全球分布量很小,蕴藏量很稀少,我国也只是在西藏与云南两地才有这种地热资源。就HVAC的应用领域而论,主要是利用中温与低温的地热能资源。按经济适用原则来细分,不同温度等级的地热资源,一般可以作以下不同的工程应用:
t>110℃ 区域供热,供冷
90℃60℃40℃t<40℃ 地热尾水热泵供暖
上述工程应用涵盖了HVAC领域地热利用的全部范围。现在需要讨论的问题是地源热泵系统是否也是一种“地热利用”系统?笔者认为地源热泵系统并不是一种“地热利用”系统,它只不过是将地下含水层、土壤、岩石、卵石及深层地表水作为热泵吸热的“源(source)”和排热的“汇(sink)”的“蓄热体”。
实测表明,地球表面下30 m以上的土壤层温度受太阳照射与气温影响呈一年四季周期性变化,地球表面300 m以下的温度只受来自于地核的导热与对流的影响,平均地温梯度约为25~30℃/km。但地下30~300 m间的地层是一个恒温带,其温度是地球表面的太阳照射与气温影响和地核的导热与对流影响的综合平衡点。在我国的华北地区平衡点温度在14~18℃范围内,在中南地区平衡点温度在20~22℃范围内。此平衡温度与当地的全年平均气温有非常好的相关性,但完全不受当地一年四季气温变化的影响。有的设计者在应用与设计地源热泵系统时常常忽视了一条必须遵守的原则,即夏季向地源累计放热量应等于冬季向地源累计吸取的热量,以保持该地区地下恒温带的全年温度变化的平衡。
如果我们真的能把此恒温带看作取之不尽、可不断再生的低温地热资源,那么我们的地源热泵系统就可以每年只从地下取热供暖,无须每年夏季供冷排热了。如果我们真的这样做,五六年后该地层温度就会有明显下降,该地源热泵系统中水源热泵机组的制热效率也会随之下降,10年后就会迫使热泵机组停止使用。
在30~300 m深的地下,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,就能持久地维持恒温带的状态;如果把恒温带地层看作为“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。由于地壳的导热系数很小,热容量极大,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,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、连续地从此恒温带取热而不考虑及时地热量平衡,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,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0.5℃,10年后该地源热泵系统就不能有效正常工作了。
因此,笔者认为我们不应该把地下30~300 m深这一恒温带地层看作“取之不尽,可不断再生的低温地热资源”,而只能看作“蓄热层”。
在我国近10年来的地源热泵系统的实践中,普遍存在以下缺陷与不足:
1)设计地埋管地源热泵系统时,单纯为确定埋管长度而只计算冬季设计日最大热负荷和夏季设计日最大冷负荷。已公布的工程设计与实测数据中,笔者尚未看到有夏季累计供冷负荷或累计向地下排热量的资料,以及冬季累计供热负荷或累计从地下取热量的资料。
2)所研发、引进或使用的地埋管计算程序绝大部分只是计算单井(孔)埋深的计算程序,计算多井(孔)并联运行的程序较少,更谈不上用于分析埋管地下全年温度场的动态变化。
3)对于地下水热泵系统,能提供完整水文地质资料的极少,绝大部分工程在建设时不设专用监测井,在工程投入运行后也根本没有对地下水的水量、水温、水质进行定期的监测,更谈不上提供地下水迁移数据。
上述问题导致在社会上,乃至在学术界不少人把地源热泵系统理解为是对浅层地热资源的利用,更不要说在我国的地源热泵系统市场出现的五花八门、令人啼笑皆非的商品名与公司名。
为了在我国更科学、更合理、更持久、更因地制宜地推广地源热泵系统技术,减少对用户与业主的误导,笔者建议首先应在学术界和行业内对地源热泵系统的应用原理正名,不要再认为地源热泵系统是对浅层地热资源的利用,而是应该把地下恒温带当作“蓄热体”来使用。
2楼
2 水源热泵机组与地源热泵系统
水源热泵机组对生产厂家来说是一种产品,对一项工程或一个建筑业主来说,它只是一个设备。水源热泵分为两类:水-空气型水源热泵和水-水型水源热泵。水-空气型水源热泵一般可安装在空调房间内或空调房间附近的机房内,冬季可直接向空调房间送热风,夏季则送冷风。水-水型水源热泵一般安装在地下室或专用机房里,它本质上只是一种冷、热水机组,必须利用一些末端装置,如风机盘管、VAV末端装置才能向空调房间供冷供热。
地源热泵系统是利用地下土壤、卵石与岩石,地下含水层及深层地表水作水源热泵的源与汇,向建筑物冬季供热、夏季供冷的空调系统,按照目前国际上公认的划分方法有三类:
1)地耦合水源热泵系统,包括了竖直埋管与水平埋管系统;
2)地下水水源热泵系统;
3)地表水水源热泵系统,包括了利用深层的河水、湖水与海水系统。
由此可见,地源热泵系统是上述三种特定源、汇的水源热泵系统的总称,水源热泵本身仅仅是一种设备,只有和某种源、汇及末端设备结合起来组成一个整体后,才能称得上“系统”。
但是,在近10年来我国运用市场机制推广地源热泵系统的过程中,由于缺乏统一规范与充分的技术交流与讨论,再加上一些地区与公司,为了标新立异与市场炒作,无意或有意地模糊系统与设备的差异,混淆了三种地源热泵系统的各自特点与适用场合,杜撰与创造了许多不科学的、与国际脱轨的专用名词和商品名。这种状况已在某种程度上影响到地源热泵系统在中国的信誉与推广速度。笔者建议行业学会和协会应加强对地源热泵技术的国内与国际的技术交流工作,统一设计、施工安装、调试、竣工验收的规范、标准、规程,通过行业自律和公司的自律来克服与扭转这些消极因素与不良作风。
回复
3楼
3 地下水水源热泵系统
在上世纪90年代末推广地下水水源热泵系统初期,业界的一些老专家就提请注意70年代初在纺织厂系统大搞冬灌夏用的失败教训。70年代初为了解决近10亿人的穿衣问题,国家大力发展化纤纺织业。因为当时机械制冷造价高、运行费用高,故在利用16℃地下水进行空气处理的基础上,想出了这种天然制冷办法。此方法曾风靡北京、天津、上海的一些纺织厂。但没有多久就出现了水井的出水量减少、水温升高、水质变坏,整个城市地下水位下降,局部地区出现地面下沉的现象。到了70年代末这种方法就销声匿迹了。
根据中美两国政府在1997年签署的《能源效率和可再生能源技术的发展利用领域合作议定书》之附件六《关于地热能利用合作协议书》,北京某地源热泵公司分别在我国的北京、中部、南部各建了一套利用地下水的水-空气型热泵机组的地源热泵系统。自2000年11月北京嘉和丽园高档公寓地下水热泵系统投入运行以来,我国地源热泵系统的建设得到了迅速发展。由于从事地矿勘探与打井的行业的介入以及其与暖通专业的结合,使地下水水源热泵系统发展尤为迅速。发展势头既令人喜悦但又令人担忧。主要突出表现在以下几方面:
1)在理论上,错误地把上述三种地源热泵系统解释与宣传为是一项“取之不尽,可持续利用浅层地热能源”的技术,而模糊了其实际上仅仅是利用地下恒温带作“蓄热层”的科学本质。
2)在宣传上,只强调可节省多少能源,减少多少污染物排放,冠以“绿色环保、可持续利用的廉价能源”的美名,而忽视或有意淡化、掩盖其对城市地下水资源造成污染的可能,对周围建筑与整个城市地层结构起破坏作用的可能,以及工程有可能失败的风险性。普遍存在着报喜不报忧的倾向。
3)在工程设计上,不以完整的现场实测水文地质资料为基本依据,不考虑未来对其周围地下水资源及周围建筑地基与城市地面下沉的不利影响。
4)在打井技术方面,尚未很好解决回灌问题,很多工程实际上并未达到100%回灌。回灌井与生产井的数量配置和是否需要冬夏对调轮换,单井回灌是否合理有效,是否会破坏地下含水层等问题,在行业内尚存在互为对立的观点。
5)在系统运行与保养上,不设监测井,不对地下水的生产量、回灌量、水温、水质、含水层厚度变化进行定期、持久的监测。打井公司只要能抽出设计所规定的水温、水量的地下水后就算完成了使命。
6)在行政管理上,打井抽取地下水,地矿、国土资源、城市环保、自来水公司等部门似乎都有管辖权,但各城市乃至全国至今都没有一个统一的管理条例与组织。目前基本处于无政府状态。一些勘探打井公司凭着老关系,不经严格审批就可获得打井取水的许可证。
7)在政府行为上,出现了个别地区的政府官员与勤走上层路线的个别公司勾结谋利的腐败现象,片面宣传与强调地源热泵系统的节能环保作用,出台政府推荐文件,暗助企业投标中标,招揽工程。
回复
4楼
4 地埋管的地耦合水源热泵系统
地埋管的地耦合水源热泵系统虽然目前没有像地下水水源热泵系统那样引起地下水资源污染与破坏,城市地面局部下沉等环境问题,但是由于各工程的打井埋管现场的地下水文地质结构是由各不相同的黏土、砂土、砂石、鹅卵石、岩石层组成,地下水水位也各不相同,其导热系数一般在0.69~5.19 W/(m•K)范围内变动,其热扩散率在0.028~0.102 m2/d范围内变动。因此,每项工程设计计算采用的大地导热系数必须通过打试验井由现场测定来确定。除此之外,地耦合水源热泵系统的地下埋管计算都是基于某种数学模型的理论计算。
从工程设计与应用的角度看,地埋管的数学模型计算应解决以下三方面的问题:
1)根据设计日的最大冷负荷与最大热负荷确定地下埋管的总长度与管井数;
2)根据指定工程全年的逐时冷热负荷分布与现场的地上布井和地下埋管的约束条件,确定打井埋管方案与合理间距,计算出地下全年温度场分布的三维(或四维)动态变化图;
3)根据地下全年温度场分布的动态变化图,确定地下吸热与放热的不平衡总量,为设计与运行地上辅助热源与辅助冷却装置提供准确的依据。
目前国内流行的数学模型或计算程序大约可分为三种情况:
1)根据国外文献或手册中的数学模型或计算公式,自编或简化后自编的计算程序;
2)直接从国外公司、协会、大学引进或购买的计算程序;3)自己独立创建的数学模型并经验证的计算程序。按照百家争鸣、百花齐放的方针,上述三种做法都应该有它生存与发展的空间。但是为了推动我国的技术进步,树立良好的学术风气,更好地为工程建设服务,避免误导误用,笔者认为,在发表与推广任何一种数学模型与计算程序时,应负责任地做到与做好以下三方面工作:
1)完整地给出所有假设、简化条件与省缺的计算参数;
2)明确说明适用的场合和能解决哪类问题;3)准确给出经实验室或示范工程验证的对比数据,以及实验室与示范工程的具体条件。
在近10年来的地耦合水源热泵系统研究与工程实践过程中,许多大专院校与公司做了大量工作。但由于经费、时间、人力和认识上的种种原因,笔者觉得以往工作最大的缺陷是不重视或忽略了测试井的建设与长期监测。如果我们增加与加强了这一环节的工作,就可以:
1)及时检验、发现、修改现有数学模型与计算程序中不正确的假设、简化条件及数学关系;
2)进一步了解、掌握各种计算程序的适用范围与误差范围;3)创建更准确、更易用、具有自主知识产权的计算程序。
回复
5楼
5 地表水水源热泵系统
在利用深层河水、湖水、海水进行吸热与放热的地表水水源热泵系统时,首先必须强调的是水体要有一定深度,没有5 m深度的河流、湖泊、海域就不必考虑,一般来说,只有10 m以下深度才有利用价值。
为了更准确地设计地下水换热器,必须准确掌握所选水域水下温度梯度的全年变化资料,以及水质、水流速数据,上下游水下浮游水生物的生长情况。这种资料与数据应该是最新的、通过现场实测获得的,切忌用历史的、间接的或口传的资料数据为设计依据。
另一个常被忽视的问题是工程所在地与设置地下水换热器现场的距离。对于两者距离超过500 m的工程,必须认真进行全面的技术经济比较分析。切忌在推广地表水水源热泵系统的同时,而忽略其应用条件是否具备,最后导致在水源热泵上所获得的节能效益都被河水、湖水、海水的水泵输配能耗所抵消。而且这个问题一般必须在地表水水源热泵系统的立项可行性研究报告中就解决掉,切不要拖到工程的施工图设计阶段再提出来讨论,更不要等到完工后被业主发现,责问为什么水泵输配电耗竟与热泵机组电耗相当或更高。
总之,对于地表水水源热泵系统的建设,不论是业主,还是设计单位或承包公司,都必须贯彻因地制宜、实事求是的指导思想。
回复
6楼
6 水源热泵机组的其他应用
水源热泵机组除了可以组成上述三种地源热泵系统之外,近年来它还广泛应用于水环式水源热泵系统,以及地热尾水、城市污水、工业废水热回收的热泵供暖系统。
水环式水源热泵系统是水-空气型热泵在我国进入工程应用最早的一种系统,上世纪80年代末至90年代初期在上海、北京已有应用。但是国内的一些中间商为了包揽更多工程,不顾气候条件、建筑特点与使用功能要求,盲目推广,结果既达不到节能效益,又损害了建筑业主与用户的利益,败坏了水环式水源系统的名声,使之不能健康发展。对此笔者早在1997年曾在题为《水环热泵系统的热回收特性及其设计方法》[4]的文章中,特别强调了这种系统的适用性与经济性。如果我们不牢牢抓住和发挥其热回收特点,就会丧失它的节能功能与经济价值,使之难以生存与发展。
水源热泵装置与地热尾水、城市污水、工业废水等低品位废弃热源结合起来,可以构成很好的废热利用系统,是一种既环保又节能的系统。这种热泵废热利用系统近五六年来在北方地区有了较好发展,一些工程已成功投入运行。但在建设中较普遍地存在着三方面的通病:1)对废弃热源的有害成分、参数、数量、季节变化限于一般了解和由他人提供,缺乏直接调查测定的、准确的定量数据与资料,未经严格的核实;2)对于直接和废弃物接触的换热器的换热性能、耐久性与可维护性缺乏深入调研;3)对于该系统供热负荷的近期与远期需求往往只有基于热指标的估算,不考虑随季节、气温的动态变化。所以,所设计与建成的废热利用供暖系统往往都存在容量过大,经济效益不如预期的那么好,第一级换热器的效率逐年恶化等问题。
回复
7楼
7 促进两个行业的沟通与两个专业的结合
建设地源热泵系统,其地下部分无论是埋管、打井,还是设置湖泊、河流、海洋的水下换热器或取水装置,都需要有一定的水文地质与海洋专业知识,这对于HVAC专业的技术人员来说,并不擅长;其地上部分,无论是建筑物的全年冷、热负荷计算与全年分布规律,还是室内外的水系统设计,也绝非是水文地质、地矿勘探、海洋海港技术人员的专长。为了使地源热泵系统健康发展,客观上必然存在着需要两个专业相互尊重、相互学习、相互渗透、相互结合、共同发展的问题。因此,加强HVAC行业和水文地质、地矿勘探、海洋海港行业之间的沟通极为重要。
目前从事地源热泵系统工程的公司大致可分为两类:一类是由水文地质与勘探为主体,再雇佣一些HVAC专业人员组成的公司;一类是以HVAC专业为主体,委托或雇佣当地的一些打井队组成的公司。这样的公司在完成某项地源热泵系统的特定工程上,虽然具备了两种专业知识的能力,在一定程度弥补了各自原有专业之短处或空白,但是在综合能力上仍表现出在某些方面的弱势,在处理工程的科学适用、经济合理、安全可靠、环保论证等问题上,常常会因公司的商业利益,片面引导和误导业主,而采用了一些不合理甚至错误的方案。随着地源热泵系统工程的日益增多与普及,亟需HVAC行业的学会、协会主动与水文地质、地矿勘探的学会、协会联系,以联合召开专题研讨会、专项工程论证会的形式,加强两个行业之间在发展地源热泵系统技术上的沟通,促使两个专业相互学习与更好地结合,同时把商业利益所导致的片面认识、片面宣传减小到最低程度。
回复
8楼
节能成为我国的重要任务，政府大力发展地源热泵系统，是作为设备厂家的是春风之音，希望业内同行多考虑能源与发展的远瞻目光。
回复
9楼
首先谢谢楼主的好意.建议版主加分! 精神可嘉!
但从技术角度看有一段叙述不合适;"因此,单纯地、连续地从此恒温带取热而不考虑及时地热量平衡,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,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0.5℃,10年后该地源热泵系统就不能有效正常工作了。"
按照楼主推荐的这段话,如果冬夏季对地下的热量不平衡,那么降温"5~10年就会失效与报废",如"每年只升高0.5℃,10年后该地源热泵系统就不能有效正常工作了." 无论从理论上,实践上都是不对的.
首先,如地下逐年降温,对冬供暖不利,但对夏制冷更有好处.
其次,如地下逐年升温,对夏制冷不利,但对冬供暖更有好处
第三,如每年升高0.5度,再过20年中国的任何地区照样可用地源热泵,北方如黑龙江冬供暖更好了!
如每年降低0.5度,再过20年中国的任何地区照样可用地源热泵,南方如长江流域夏制冷更好了!
当然温降地区,冬供暖会不利,温升地区,夏制冷不利,但不会象楼主说的那么严重,另外地温升降因素很多,不是几句话能说清的.地温升降能解决!!!
我说这些的目的是希望初入行的网友们有个清醒的认识.
回复
10楼
刚踏入地源热泵这个行业，通过这篇文章，开始对这个行业有了个初步的认识。
回复
11楼
这位老师断章取义。版主讲的是对某个地区如取热或放热不平衡，就会造成冷窟或热窟。而不是你在上冻造成了热窟再拿到东北去用。
回复
