关于地源热泵系统问题与答复

刊于暖通空调2011年8月期“工程设计问答”关于地源热泵系统问题与答复(19)问：地源热泵系统涵盖哪些范围？地源热泵系统的涵盖范围，应以GB 50366-2005地源热泵系统工程技术规范的术语为准：以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组的供热空调系统。以岩土体为低温热源的地埋管地源热泵系统，以抽取和回灌浅层地下水为低温热源的地下水源热泵系统，以提取和回放江、湖、河、海等地表水为低温热源的地表水源热泵系统，构成了地源热泵系统的地源主体。深层地热资源的梯级利用，以及污水源热泵系统，不属于地源热泵系统的范围。问：采用地源热泵系统，应该着重注意什么问题？GB 50366-2005地源热泵系统工程技术规范的全文中，一共只有两条强制性条文。即：3.1.1条提出，方案设计前，应进行工程场地状况调查，并对浅层地热能资源进行勘察。5.1.1条提出，地下水换热系统应根据水文地质勘察资料进行设计，必须采取可靠回灌措施，确保置换冷量或热量后的地下水全部回灌到同一含水层，并不得对地下水资源造成浪费和污染。JGJ26-2010严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准的5.4.8条，又以强制性条文重申“当选择土壤源热泵系统、浅层地下水源热泵系统、地表水（淡水、海水）源热泵系统、污水水源热泵系统作为居住区或户用空调（热泵）机组的冷热源时，严禁破坏、污染地下资源。”这说明，地源属于新能源和可再生能源，当合理和有效地加以利用时，能够取得节能减排的效益，但是应以不造成对环境的负面影响作为前提。问：什么叫做“合理和有效地加以利用”？一般应该从以下几个角度，衡量是否能合理和有效地加以利用：1）计算冷源的综合制冷性能系数（SCOP）。对于常规的冷源系统，冷源综合制冷性能系数是指在名义工况下，制冷机的制冷量与制冷机、冷却水水泵及冷却塔（或风冷式的风机）等的净输入能量之比。而对于地源热泵系统，冷源综合制冷性能系数应指在名义工况下，热泵机组的制冷量与热泵机组、地源侧循环水泵以及净化过滤换热设施等的净输入能量之比。在许多情况下，地源热泵系统的冷源综合制冷性能系数，有可能会并不比水冷式或风冷式蒸气压缩循环冷水机组优越。 2）计算热源的综合制热性能系数。对于地源热泵系统，热源综合制热性能系数应指在名义工况下，热泵机组的制热量与热泵机组、地源侧循环水泵以及净化过滤换热等设施的净输入能量之比。地源热泵系统一般会比采用锅炉等常规热源，得到较好的节能效益。但采用地表水的地源热泵系统，当冬季地表水温较低或取水高差较大时，综合制热性能系数则会比较低。3）计算地源热泵系统在全寿命周期内的投入和产出的关系，即以系统建设过程中的能耗和费用，与维持系统运作过程中的能耗和费用相比较。4）要考虑地源热泵系统所能够提供的冷源和热源的合理品质，与建筑供冷和供热系统需求的关系。显然，地源热泵系统所能够提供冷源和特别是热媒的品位，相对于常规冷源和热源是比较低的，必然要影响和制约建筑供冷和供热系统的方式。5）许多实际工程，根据建筑对冷热的需求量和地源热泵系统所能达到的冷热合理供给量，需要采用多种能源（直燃冷温水机组、电制冷机组、燃气锅炉、冷却塔、太阳能等）共用的复合能源系统。在有些情况下，采用地源热泵作为暖通空调的热源和冷源，往往只是为了“绿色建筑”的加分和楼盘的“卖点”。工程实际效果说明，如果只是盲目跟风、追新、节能技术的简单堆砌，并不一定能达到节能效果，而且可能使能耗大幅度增加，这种倾向应该引起重视。问：对岩土体地埋管热泵系统的原理有哪些理念？由于受地下水或地表水客观条件的制约，当前，例如在北京地区，地源热泵系统工程应用中，采用岩土体地埋管热泵系统日趋增多。即使可以埋管的室外场地不多，一些工程则利用建筑物本身的下部空间敷设地埋管换热系统。对岩土体地埋管热泵系统的原理，有若干种不同的解释：一种理念认为浅层地温是“资源”,有自身的恢复和再生能力。注入或吸取热量后会逐渐恢复到初始状态，因此不需要过分强调全年注入或吸取热量的平衡。北京市地质矿产勘查开发局进行的观测及其研究报告支持这种理念，而且一直在继续跟踪观测，但我觉得还不够充分，最好至少能有35年的观测期。另一种理念认为浅层（3200m深度）地质体是一个蓄热体，只能吸收或释放热量，因此要强调全年注入或吸取热量的平衡。反映在GB 50366-2005地源热泵系统工程技术规范中，规定“在计算周期内的总释热量宜与其总吸热量相平衡”。那么，例如对于北京地区，供热周期与供冷周期相差甚多，采暖度日数（HDD18）是2699，而空调度日数（CDD26）仅为94，地源系统的全年吸热量与全年释热量会严重失衡。有业内专家认为,如果失衡度大于10，系统将会在10年左右失效。这种提醒很有必要，但依据并非很充分。我个人的观点则是介于两者之间，因为浅层（3200m深度）地质体并非是完全“封闭”的空间，应该具备一定的恢复和再生能力。特别是在地下水的径流速度较大，或并非大规模区域设置的条件下，恢复和再生能力会增大。几种不同的理念，说明还存在较大的需要进一步通过工程实际观测、研究和认识的空间。问：暖通空调专业应该如何参与地源热泵系统的设计？不论是采用地下水、地表水、还是岩土体地埋管地源热泵系统，对水文地质条件勘察和判断，是设计的前提和依据。勘察和判断包括地质体的结构、热物性、温度，地下水的静水位、水质、径流方向及速度，地表水的季节水位变化、水温、水质和可以利用的流量等，以及应用以后对地质或水环境（水质、水生物、鱼类等）的影响。打多少井？埋多少管？地表水的如何取水和回放这些问题不是暖通空调专业学科所可以单独解决的。从源头上看，水文地质专业应是地源利用工程的主体。具备水文地质勘察设计资质和地源系统工程承包资质的专业单位，应是地源热泵系统工程的承包主体。根据地源热泵系统工程技术规程6.1.1条的规定，应由地源热泵系统工程的主体承包专业单位，先期对地质或水环境的影响进行评估，提出取水量、排水温度等具体数值，并取得当地水文地质管理部门或水政部门的认可。以使得建筑冷热源系统和用冷、用热末端设备的设计，建立在可靠的基础上。建筑设计单位暖通空调专业和水专业，宜把主要注意力放在能源的“应用”方面，主要负责这种能源的“使用侧”，应提出各季节所需要的冷热负荷和全年的冷热需求总量，以及建筑供冷供热系统需要的冷热媒的品质范围。建筑设计单位与地源系统工程承包专业单位的配合、协调和设计分工，最好能以“使用侧”冷热媒起始端为结合部位，明确该点主要技术参数的要求，如：流