土壤源热泵的性能及应用分析

地源热泵由于其高效、节能、环保的特点，近年来日益受到人们的重视，尤其是在资源日益短缺、能源价格日益上涨的今天，节能环保成了当前的主要话题。系统通过地源热泵将环境中的热能提取出来对建筑物供暖或者将建筑物中的热能释放到环境中去而实现对建筑物的制冷，夏季可以将富余的热能存于地层中以备冬用；同样，冬季可以将富余的冷能贮存于地层以备夏用。这样，通过利用地层自身的特点实现对建筑物、环境的能量交换。该技术可以充分发挥浅层地表的储能储热作用，达到环保、节能双重功效，而被誉为21世纪最有效的空调技术。
1、土壤源热泵发展现状
1912年Zoelly首次提出了利用土壤作为热泵系统的热源设想，随后申请了专利。国内最早的土壤源热泵开始于1989年。当时，青岛建筑工程学院同瑞典皇家工学院合作建立了国内第一个土壤源热泵实验室。目前，国内对于地源热泵系统的研究重点均放在地埋管换热器的试验研究上，实验的重点是单位管长放热量的确定、系统COP的确定等。实验的形式主要有：水平埋管热泵系统供冷供热试验、竖直套管式地埋管换热器试验、竖直U型管热泵系统冬夏季运行试验研究等。重庆建筑大学、天津商学院、湖南大学等单位对土壤源热泵也进行了多年的研究。天津大学、清华大学分别与有关企业建成数个示范工程。土壤源热泵系统越来越多的被房地产商所关注和采用。这些单位分别根据各自的地质条件给出了相关的实验结果，同时对地埋管换热器传热模型、地埋管换热器设计计算模拟及影响地埋管换热器传热的各种因素进行了初步研究，取得了一些阶段性成果。
2、浅析土壤源热泵
2.1工作特点
土壤源热泵是利用地下常温土壤温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统与建筑物内部完成热交换的装置。冬季从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季向土壤排热，为建筑物制冷。它以土壤作为热源、冷源，通过高效热泵机组向建筑物供热或供冷。高效热泵机组的能效比一般能达到4.0kw/h以上，与传统的冷水机组加锅炉的配置相比，全年能耗可节省40%左右，初投资偏高，机房面积较小，节省常规系统冷却塔可观的耗水量，运行费用低，不产生任何有害物质，对环境无污染，实现了环保的功效（如图1所示）。
2.2土壤源热泵的应用条件
通过对近几年的工程实例和参考文献的总结，得出4个条件：（1）同时具有夏冬空调负荷，并且年冷热负荷较接近时对土壤源热泵系统的运行更有利；（2）当地下土壤温度在13-19℃时，土壤换热器的效果最为显著，而我国大部分的夏热冬冷地区最为合适；（3）当地100m之内不存在坚硬地层，且存在保水性好的砂土层对土壤源热泵实施起来更有利；（4）具备合适的土壤换热器布置面积，但要注意的是，不能一味追求土壤换热器面积，而减少换热器之间的间距，这样不仅不会增加效率，反之还会降低换热器的使用寿命。
2.3土壤源热泵的影响因素
2.3.1土壤温度
土壤的温度是影响热泵的主要因素之一。热泵的效率主要取决于建筑物室内与室外的温度差，该温度差减少则热泵效率就提高。大地温度最主要的特点就是它的延迟性和蓄热性。在我国，15mm以下到15m土壤就进入常温层，土壤温度相当于该地区全年的平均气温，多数情况下比气温高1℃-2℃。从15m到20m以下，土壤的增温率是3℃/m.当深度达到100m以后，随深度增加土壤温度开始下降，土壤温度不会受到室外气温和季节性的变化，根据土壤温度可以知道，土壤源热泵在制热工况下很有利，其制热性能系数大约是2.2-3.2.
2.3.2土壤特性
土壤的类型、热特性、热传导性、密度和湿度等也是影响系统的主要原因。就地表而言，垂直地表的土壤热特性要大于水平方向的热特性（表1，表2）。
虽然卵石性土壤导热系数高，但因石块的含量使施工费用大幅增加，因此粘土和砂地是土壤源埋管的很好选择。另外土壤潮湿可以加大导热系数，如果土壤潮湿或地下水位高，土壤接近饱和，那么导热率将会提高。
2.4土壤源热泵特点
2.4.1辅助动力少
评价土壤源热泵系统性能的参数之一是辅助动力，它是系统经济性的重要因素之一。室外设备不需要其他能量，仅设置管道泵作为水循环的动力。水流速度是决定泵容量的主要因素之一。为了保证充分的热交换和地下管道的水力平衡，地下埋管系统严格控制临界速度，因为水流处于层流状态，传热会恶化，甚至由于水流速度慢，会出现气塞现象，气塞会造成水利不平衡。而在紊流状态下增加流速不会对传热带来多大的改善，因为此时的热阻主要由管道热阻造成，水的热阻相对来说很小，此时增加流速只会增加泵的容量。
2.4.2运行管理方便，运行状况好

土壤源热泵另一个优点是对设备的维护要求不高。首先这种系统减少了室外许多运转设备，不需要冷却塔、锅炉这种长期维护设备。另外对于热泵系统来说为了解决结霜问题，人们不得不采用电加热等方式，除霜融霜后的设备突然启动就更危险。而热泵系统与大地接触，与大地换热保证了不会结霜。系统运转部件少则系统噪音小，这很适用于对噪音有要求的住宅、医院、学校等地区。
2.5土壤源热泵与传统中央空调的比较分析
2.5.1节能性分析
传统的空调系统采用风冷或水冷换热器，其换热环境直接或间接为大气，而大气换热不可避免的受到环境条件变换的影响。在夏季，当室外温度达到40℃时，由于换热效率降低，冷量将下降20％-40％。在冬季，当气温下降到-10℃时，供热量将下降到15％-30％，而且要反复地除霜来保证机组的正常运行。土壤源热泵是一种利用可再生能源，经济有效的节能技术。它通过介质和大地地表浅层（通常小于400米深）换热。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能。相当于人类每年利用能量的500多倍。且不受地域资源等限制，是真正的量大面广，无处不在。这是储存于地表浅层近乎无限的可再生能源。土壤温度全年基本稳定且略低于年平均气温，可以分别在夏冬季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。所以从热力学原理上讲，土壤是一种比环境空气更好的热泵系统的冷热源。而且土壤源热泵系统不会把热量、水蒸气及细菌等排入大气环境。符合当前可持续发展的战略要求。
2.5.2环境效益分析
夏季，风冷机组和水冷机组均将废热排入大气，使室外温度升高；并且水冷机组还将水蒸气带入大气中，冷却塔的噪音及霉菌污染使周围环境更差；在冬季，风冷、水冷机组吸收环境中的热量导致恶劣大气环境更加恶劣。土壤源热泵的污染物排放和空气源热泵相比减少40％以上，与电供暖相比减少70％，如果结合其他节能措施节能减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调减少25％的用量，土壤源热泵系统没有冷却塔等其他设备，为开发商节省了土地使用面积并改善了建筑物外部形象。
2.5.3技术性分析
采用土壤源热泵系统由于土壤的温度比室外空气更接近室内空气的温度，若设计合理，土壤源热泵比风冷热泵更具有高的效率（如表3所示）。而且土壤源热泵系统可用来供暖、空调、提供生活用水，一套系统可替换制冷锅炉空调等装置，一机多用。土壤源系统的COP值一般在3-6左右，比传统空气源系统相比要高出40％，其运行费用是普通中央空调的50％-60％。
2.5.4经济性分析
由于能量转换和传送过程不同，土壤源热泵技术省去了产生热水和冷冻水的过程，提高了机组的转换效率，所以土壤源热泵技术换热效率更高，运行费用更低。与传统采暖和制冷技术相比其节省率供暖时在50％-70%之间，制冷时在40%-60%之间。并且系统工作稳定，不会出现传统设备中制冷剂压力过高或过低的现象，没有室外装置（冷却塔、屋顶风机等），其维护费用大大低于中央空调（如表4所示），另外土壤源泵系统利用灵活，减少了投资。
3、结论

土壤源热泵系统

应用方面还有许多值得探讨的问题。一方面理论研究还不够深入，关于地埋管数学模型、土壤特性模拟都还处于试验阶段。另一方面是施工技术有相当大的难度，这类系统不同于其他空调系统，涉及到钻探工程是系统的关键。目前，此类系统造价较高，因为仅钻探工程需要消耗60%的投资。但是随着计算机技术的发展和国家政策的鼓励以及各方面人才的加入，我们相信，土壤源热泵系统肯定有更好的将来。