地源热泵系统的环评分析

摘要：本文以地源热泵系统为研究对象，通过对垂直埋管长期运行周围土壤温度场的参数分析，判断其对生态环境的影响程度，并与地源热泵系统对城市的环境效益及未来发展方向作出的贡献做对比。提出项目方案选择的着重点及推广过程中应注意的问题,并介绍了地源热泵如何尽可能小的影响生态环境。

关键词：地源热泵 土壤 热不平衡 温度 预警 运行

中图分类号： S972 文献标识码： A 文章编号：

引言

建筑能耗可占到社会总能耗的25-30%，其中供热和空调是建筑能耗中最主要的部分。而我国能源的结构形式主要以煤炭为主，其燃烧可产生大量的污染物造成温室气体排放问题。地源热泵可有效的减少大气污染对建筑供热也有显著的节能效果。冬季通过热泵把大地的低位热能提高供建筑取暖，同时储存冷量以备夏用；夏季通过热泵把室内热量转移到地下，对室内降温的同时储存热量以备冬用。如果一年之中夏季向大地存储的能量等于冬季从地下取出的热量，则收支平衡，长期运行土壤温度也不会有所改变。但如果地下换热器的吸热和放热不平衡，长期在地下积累会引起地下年平均温度的变化，如果不提前分析长期运行带来的后果，对农业生态系统很危险。因此一个项目是否适合采用地源热泵系统，需要慎之又慎。

1.地源热泵的节能优势

以北方城市济南的住宅为例，在一个采暖季节的供热费用可在10元/m2以下，约为采用电锅炉或天然气锅炉供热时的费用的1/3。夏季空调的电耗也大大减少。

以下为地源热泵与常规冷热源方案在技术、初投资及运行费用上的比较：

表1 几种空调冷热源方案的技术比较

表2 地源热泵空调与传统空调方式初投资及运行费用比较

说明：

冬、夏季运行天数分别按140天和90天计,冬季每天运行16小时, 夏季每天运行10小时,运行负荷系数取0.7。

机房运行费用和冷却塔运行费用均指水泵等用电设备运行费用，表中为概算值。

集中供暖按济南现行收费标准计。

单位空调面积钻孔费用的高低主要取决于单位空调面积负荷的大小和当地的地质情况，即单位面积钻孔的多少和钻孔的难易程度。

无可置疑，地源热泵对于节约建筑能耗有很大的贡献，实现了低位能源向高品味能源的转变，若排除土壤的热不平衡问题，其整个生命周期对于环境的影响远小于使用电力所造成的环境影响。

2.地源热泵热不平衡的影响

南方地区以供冷为主，冬季供暖热量低于夏季供冷的冷量；而北方寒冷地区冬季供暖需求大，从土壤中吸取的热量大于放出的热量，冷热负荷不平衡，必然带来突然温度的持续（升高）降低，饱和水率失常，土壤相应物性参数改变。农作物在生命活动中的最适温度、最低温度、最高温度总称为三基点温度。在最适温度下，作物生长发育良好；最高和最低温度下，作物将停止发育，但仍可维持生命，如果此时继续升温或者降温，就会对作物产生不同程度的威海，直至死亡。通过长期的试验研究及数据分析认为，只要是系统夏季排放的热量与冬季吸收的热量相差在10%~20%，可认为达到季节性平衡。只要在此范围内，由于系统吸热、排热而对大地温度场造成的年改变可通过土壤的蓄热、传热及热衰减等加以恢复。

若地源热泵能够保证其土壤热量不平衡率在一定的范围内，则既满足建筑节能也保证对生态农业的影响最小。

3.地源热泵热不平衡的解决方案

地源热泵导致土壤热量不平衡有以下几个原因：

冷热负荷差异形成热堆积。

设计初期没有计算好冷热量并采用相应的热量转移措施。

施工时不按照设计施工。

运行过程不按照设计要求控制和调节系统，造成负荷调峰措施失败

作为设计人员，地源热泵的方案设计尤为重要，一个不考虑热平衡的方案设计是不完善的设计，长期运行不但会破坏生态环境而且会出现效率低下。设计前必须对土壤做物性分析及环境影响评价，前期的优化设计与后期的监测、规范化运行管理可以最大程度的缓解热不平衡问题。

3.1前期优化设计：目前对于冬夏两季负荷差距较大的地区，最常见的方式是考虑加装辅助冷热源设备。夏热冬冷低区，夏季的供冷量大于冬季的供热量，可以按照冬季负荷计算埋管长度，将其多余的热量通过冷却塔散去，也可通过余热回收系统，用于供应生活热水；以南方的大型商用建筑物为例，其夏季所需的冷负荷远大于冬季所需要的热负荷，且热泵机组的能效比COP大于性能系数EER。若完全依靠地源热泵制冷，则埋管及机组初投资很高，若按照冬季热负荷选择机组，在部分负荷时运行地源热泵制冷，负荷较大时启用冷却塔辅助制冷，既减少初投资，又可以维持土壤的热平衡。寒冷地区，可以按照夏季负荷计算埋管长度，辅助锅炉或者太阳能集热器作为补充热源。通过全年动态模拟得出辅助冷热源设备的开启条件和开启时间。例如北方采用太阳能与地源热泵联合运行，在日照条件充足的情况下，以太阳辐射供热作为蒸发器热源的热泵可以获得较高的蒸发温度，其能效比可以达到4.0以上。

3.2后期监测及规范化运行管理：土壤热不平衡影响地源热泵的正常运行，而我国目前大部分地区的地源热泵工程都面临地下排热量和取热量不平衡的问题。土壤热不平衡的解决需要设计阶段和运行阶段共同完成，优良的设计没有后期的管理维护，地源热泵系统不但失去了节能的意义，更对生态造成了破坏，因此建立一套完整的热泵土壤监测系统和地源热泵管理系统尤为重要。

设计阶段的工作为土壤热平衡控制提供了手段和条件，并不代表热平衡问题的最终解决，实际运行过程中，天气情况、实际使用建筑面积、建筑使用功能往往会发生变化，与设计工况不一致，影响空调负荷从而导致土壤温度场及地埋管出水温度不可能完全按照设计计算模拟出的情况变化，因此。即使设计十分完善的系统，在运行阶段也不可能自动实现土壤热平衡。因此建立一个预警系统，以便在运行过程中管理人员能合理地控制与指导地埋管的运行，调节地埋管与辅助冷热源的运行时间，确保向土壤的排热和去热保持平衡，是十分必要的。土壤热不平衡的核心问题是地源热泵长期运行土壤温度便宜正常状态的变化，作为预警指标，必须反映土壤温度在不同运行时间点上的正常状态，

地源热泵运行管理关系着系统运行效果、节能以及对生态的影响，运行管理水平高低直接决定了系统的质量和效率，地源热泵的空调系统与传统空调不同，需要长期监测。而目前管理人员不熟悉系统运行管理的技巧。建议对于其后期运行管理应该纳入相关的法律法规，其项目后期运行、监测由能源公司管理，能源公司对管理人员进行相关的培训。

结论：

地源热泵行业的发展，需要各方面的支持，目前政府出台相关政策支持地源热泵发展，进行财政节能补贴，作为开发商不能盲目跟进，应根据建设地点的实际情况，咨询专业设计公司、设计院，通过地质数据测试及模拟设计确定是否适合。整个地源热泵行业缺少有关部门的严格监测，从设计、施工、设备采购安装、竣工验收及后期运行均应做到位，地源热泵系统之路才能越走越远。