地源热泵问题讨论

当前地源热泵系统建设中若干问题的讨论汪训昌中国建筑科学研究院当前地源热泵系统建设中若干问题的讨论关于地源热泵系统的原理---浅层地热能论与蓄热层论之争地源热泵系统的优缺点与适用条件地源热泵系统的监测与监管岩土层热物测试与地埋管设计计算的若干差异性问题关于地源热泵系统的原理---浅层地热能论与蓄热层论之争1.1产生此问题的背景·建设部在2006-2007年之际把“地源热泵系统”列为一种“利用可再生能源”的新技术，享有“可再生能源利用”的政策补贴·国土资源部于2008年初,正式提出“浅层地热能”的资源观点与评价方法·2007年8月在中国资源综合利用协会下面正式成立了“地温资源综合利用专业委员会”---挂靠在国土资源部中国地质环境监测院下面；·一些杂志社、学会、协会的介入、参与、和推动。如：《工程建设与设计》编辑部，中国城市经济学会，中国可再生能源学会，中国能源研究会地热专业委员会，《地源热泵》编辑部。·地源热泵系统建设得到了不断的“政治加温”。关于地源热泵系统的原理---浅层地热能论与蓄热层论之争1.2“浅层地热(温)能”观点的代表作陶庆法胡杰：“浅层地热能开发利用现状、发展趋势与对策”；浅层地热能勘查评价技术规范(征求意见第二稿)韩再生：“浅层地热能勘查评价技术规范编制说明”韩再生：“浅层地热能勘查评价”关于地源热泵系统的原理---浅层地热能论与蓄热层论之争1.3争论的焦点与核心问题“浅层地热能”观点认为：蕴藏在地下岩土层含水土的恒温带(地下20-200m)中热量与温度是一种资源，简称为“浅层地热能”或“浅层地温能”，它是地热资源的一部分，是一种国家资源，应由国土资源部系统进行勘查、评估、评价、管理、与有计划地开发利用；“浅层地热能”观点认为：蕴藏在地下岩土层含水土的恒温带中热能为地源热泵系统冬季供暖提供了“热量”、“冷量”与“能源”；关于地源热泵系统的原理---浅层地热能论与蓄热层论之争1.3争论的焦点与核心问题“浅层地热能”观点认为：地源热泵是一种利用浅层地热能作为冷热源进行能量转换的供暖空调产品。“浅层地热能”观点认为：浅层地热能资源评价是地源热泵工程设计的基础，也是区域浅层地热能规划、管理的依据。关于地源热泵系统的原理---浅层地热能论与蓄热层论之争1.3争论的焦点与核心问题“地源热泵系统”观点认为：地下岩土层含水层是地源热泵系统运行工作的“热汇”与“热源”，地下的温度是确保地源热泵系统髙效、稳定、可靠、可持续运行的“环境参数”。它的设计原则是必须保持夏季向地下释放的冷凝热与冬季从地下吸取的热量相等，根本不需要利用地下任何其它热量，更谈不上要利用任何“浅层地热能”或“浅层地温能”。地源热泵从本质上、原理上讲是一种“废热利用”，地下岩土层含水层在地源热泵系统中仅仅是起到一种“蓄热层”的作用。“地源热泵系统”观点认为：地源热泵系统利用的热量是自身在夏季向地下排放的冷凝热，而且在许多工程中，可能还需要采取辅助的工程措施排放多余热量。关于地源热泵系统的原理---浅层地热能论与蓄热层论之争1.4“浅层地热能”的误导作用使国土资源部自身误以为发现了一种低品位的新的能源资源，它是一种国家资源---故“浅层地热(温)能”，需要由国土资源部系统从中央到地方，大力进行勘查、评价、评估、规划、开发与利用，而不是把工作重点放在地下水资源、地质环境的保护、传热蓄热、热质迁移规律的研究与管理上。关于地源热泵系统的原理---浅层地热能论与蓄热层论之争1.4“浅层地热能”的误导作用使其他部委及某些地方政府的官员错误认为，这是一种取之不尽，用之不竭，像太阳能、风能那样的，可再生的、不污染环境、不用化钱买的“新能源”。三北地区某些地方政府目前正运用行政手段，向只有单纯冬季供热需求的居民住宅区大面积推广“地下水地源热泵系统”。关于地源热泵系统的原理---浅层地热能论与蓄热层论之争1.4“浅层地热能”的误导作用使原来就没有计算全年逐时冷、热负荷的不负责的设计单位，有了“借口”，得到了“庇护”与无形“鼓励”；而又会使原来认真计算全年逐时冷、热负荷和采取各种工程措施进行全年冷、热平衡的设计单位与业主会渐渐削弱、或放弃原来的科学设计方法和精心设计的严谨作风，觉得过去的精心设计是“白费功夫”，“吃力不讨好”。关于地源热泵系统的原理---浅层地热能论与蓄热层论之争1.5我们的立场与观点我们虽然坚决反对“浅层地热能”或“浅层地温能”的资源观点以及由此所制订定的浅层地热能的勘查、评估、评价方法，但是我们积极主张暖通空调与水文地质两专业、两行业、两部门之间应在科学开发、建设、利用地源热泵系统领域紧密合作，相互学习、有效沟通、及时协调。在充分、科学、合理利用好地下浅层岩土层含水层作为“蓄热层”的同时，保护好地下的地质水文环境。地源热泵系统的优缺点与适用条件2.1地源热泵系统的优点由于一年四季的地下环境参数在10～20C范围内变化，故其全年的制冷量与制热量输出(能力)比较稳定，没有“逆反”效应；正因为一年四季地下的环境参数均在较适宜的10～20C范围内变化，其夏季的制冷效率EER与冬季的制热效率COP都相应要比空气源热泵系统髙20％～40％；地源热泵系统的优缺点与适用条件2.1地源热泵系统的优点当地源热泵工程的冬季从地下累计取热量和夏季向地下累计放热量基本相等时，地源热泵系统可以不设任何冷却塔与辅助加热设备，从而减少了保养费用和改善了建筑的外立面美观；充分利用了夏季制冷时的冷凝热，储存于地下，有效地减轻了城市的夏季热岛效应，同时也便于提供全年的生活热水。地源热泵系统的优缺点与适用条件2.2地源热泵系统的缺点初投资髙，因为地下钻井打眼埋管和打井都需要高额的工程建设费，尤其是在现场地质水文条件恶劣的情况下更为突出。在有一些工程中，其地下钻眼埋管或打井费用甚至和地上空调系统的建设费用相接近；地源热泵系统的全年供冷供热性能与经济性强烈依赖于建筑的冷、热负荷计算，设备选用，和地下埋管或水井设计计算与施工。精心设计与精心施工的工程和粗制滥造的工程，无论在性能上、在初投资上、还是运行费用上、及使用寿命上都会有成倍的差别；地源热泵系统的优缺点与适用条件2.2地源热泵系统的缺点目前，无论国内或国际水平而言，人们对于地下岩土层与含水层中的传热，蓄热，以及热、质交换与迁移的规律的研究相对还是比较少和不够成熟，不一致、不统一的地方还是比较多，有时同一工程由不同的人进行设计，其差异性可能较大；就目前国内熟悉地源热泵系统的合格设计者而言，其数量有限。目前国内有经验的、合格的承包商不多。地源热泵系统的优缺点与适用条件2.3地源热泵系统的适用条件鉴于地源热泵系统是利用了地下30m至300m深、温度既不低又不髙的恒温带作为热泵系统的“源”与“汇”的地下环境，和全年空调热泵自身既需夏季排热和又需冬季取热的特点，确保了热泵的高效、稳定、和可持续地运行。因此，地源热泵系统的建设一般应遵循以下适用条件：地源热泵系统的优缺点与适用条件2.3地源热泵系统的适用条件全年室外空气平均温度(或地下恒温带温度)处于10～20C的地域；具有经济打井的地质条件和拥有合适浅层地下水资源的地域；全年向地下总排热量和总取热量相等或接近的供热供冷工程，否则就需采用一些工程的辅助与补救措施；夏季供冷温度不低于5C，冬季供热温度不高于60C的工程；地源热泵系统的监测与监管3.1问题的提出地源热泵系统的建设，无论是地下水水源热泵系统，还是地埋管水源热泵系统，都会和都要“破坏”地下原有的岩土层与含水层的地质水文构造与条件。首先，在钻井过程中，不论是打水井，还是钻垂直埋管井眼，都会使原本相互隔离与封闭的地下含水层有可能串通起来，在各含水层之间产生相互影响；当地下井系建成之后，在地源热泵系统运行过程中，冬季从地下取热，夏季向地下释放热量必然会使地下的温度场，流场产生冬夏的交迭周期变化。对于地下水水源热泵系统，当周期地进行循环抽灌时，更会引起水位、水温、渗流速度与流向、水质的变化。为了确保地源热泵系统自身的长期、持久、稳定、高效、可靠运行，和保护地下的水文地质环境，因此必须对于地源热泵系统的建设与运行提出严格的监测与监管的要求。地源热泵系统的监测与监管3.2监测要求在国土资源部、水利部、建设部一致地认识到需要对地源热泵系统的工程实施强制性监测与监管的条件下，应尽快、尽早联合制定地源热泵系统建设的监测(含设计与施工安装阶段)标准。该强制性标准应包括以下内容：为保护地下的水文、地质、资源环境，规定必须监测的参数有：地温、水温、水位、水流量(抽、灌)、渗流速度与流向、水质等；地源热泵系统的监测与监管3.2监测要求监测井与监测点的布设和系统大小的关系；传感器的选用要求：稳定性、精确度与准确度，以及其二次仪表的正确选配；监测井的施工与传感器的安装要求；监测系统的验收；传感器的定期标定与监测系统的定期检验。地源热泵系统的监测与监管3.3监管要求对于已建成的地源热泵系统的工程，必须实施强制性监管。国土资源部、水利部、建设部应尽快、尽早联合制定地源热泵系统的运行管理条例，强制性要求该系统的业主单位或物业管理部门对该系统的正常工作负责，保持记录并定期按时向上级主管部门提出书面报告。该监管条例应包括以下内容：该系统的业主单位或物业管理部门对该系统的地下监测系统正常工作与日常维护全面负责；地源热泵系统的监测与监管3.3监管要求该系统的运行管理人员必须熟练掌握地下参数监测系统的使用与数据记录，出现故障需及时申报与维修；主管部门有责任委托有资格的计量管理单位每年定期对下属的地源热泵系统的地下参数监测系统进行重新标定与检验，并出具书面检验合格证书；该系统的业主单位或物业管理部门有责任对该系统的地下监测系统的监测结果向主管部门提出书面的每月报表与每年报告，提出问题与改进意见；地源热泵系统的监测与监管3.3监管要求在运行与监测过程中发现异常现象与故障，一方面需准确记录备案与及时处理，同时必须向上级主管部门提送紧急书面报告；该系统的业主单位或物业管理部门有责任委派专职人员收集与保存监测系统的数据记录与报告的长期档案；主管部门在收集、整理与归纳下属单位提交的所有报表与报告基础上，应负责提出该地区地下水文地质参数变化趋势的年度分析报告，并邀请有关专家与下属单位负责人参与审查，最后再逐级上报。地源热泵系统的监测与监管3.4体制上的统一领导因为地源热泵系统的正常运行与健康发展，涉及到多个部门的管辖范围与利益，在监测与监管上必须实行一元化领导，统一的管理机构，如可以建立挂靠建设部系统下面的，从上而下的各级“地源热泵系统工程建设联合办公室”，由国土资源、水利、建设三部门的干部与专家组成，避免再次发生互不通气、各自为政、多头领导、有利相争、有事推诿。统一领导，从事制订政策、相关标准、规程、条例、监测、监管等工作。岩土层热物测试与地埋管设计计算的若干差异性问题4.1问题的提出近几年我国的地源热泵建设发展迅速，基本上以每年20％～25％的速度在增长，由于设计与建设过程中缺乏统一的设计计算方法、测试方法、操作规程、物性测试仪器、软件、最后在地埋管的总长度上和地下水水井的数量与流量上，即使对于一些有较强技术力量和勘测设计认真的单位，也可能存在有20％～40％的差异。岩土层热物测试与地埋管设计计算的若干差异性问题4.3值得思考的问题与今后的努力方向值得思考的问题：·在初始地温、岩土导热系数、渗流速度的测试结果上为什么有如此大的区别？是测试仪器的差别还是在测试方法上不统一？·在热物性测试上，其稳定时间从4天延长至11天，对于每米传热量降低了4.6W/m(6.2％)，而实际夏季空调均为间歇供冷，即向地下排放冷凝热为8小时开/16小时停(或10小时开/14小时停)，其地埋U形换热器的传热能力是否会有成倍提髙？·该工程夏季累计向地下释放的热量与冬季累计从地下吸取的热量之比为2.36倍，而该工程既不允许安装冷却塔，又没有采取其它工程补救措施，请问几年后会不会形成“热堆积”，使地源热泵系统的夏季制冷效率大大降低