2.3 土壤源熱泵的分類
2.3.1 按地下埋管系統(tǒng)分類
地下埋管熱泵系統(tǒng)按埋管形式可分為水平埋管熱泵和垂直埋管熱泵。水平埋管是目前工程實(shí)例中常采用的，多其用于采暖。而垂直埋管一般認(rèn)為其性能優(yōu)于水平埋管系統(tǒng)，但施工難度相對(duì)高一些。
1、水平埋管熱泵系統(tǒng)
關(guān)于水平埋管熱泵的研究開始于1930年到1940年?，F(xiàn)在歐洲普遍使用的此類系統(tǒng)多只用于采暖。水平盤管系統(tǒng)有單層和雙層兩種形式，可采用U形，蛇形，單槽單管 單槽多管等形式。單層是早也是常用的一種形式，一般的設(shè)計(jì)管埋深度為0.5m到2.5m之間。由于土壤飽和度不同，壕溝深度也不同。若整個(gè)冬季土壤均處于飽和狀態(tài)，壕溝的深度就一定要大于l.5m 同時(shí)用于采暖．管埋深度超過1.5m蓄熱就慢，而小于0.8m,盤管就會(huì)受地面冷卻和結(jié)凍的影響，另外管間距小于1.5m，盤管間可能會(huì)產(chǎn)生固體冰晶并使春季蓄熱減少。雙層盤管系統(tǒng)一層約在1.2m深，另一層約在1.9m深，即先在l.9m深敷設(shè)一層管道再回填至1.2m深鋪設(shè)另一層 雙層鋪設(shè)大幅度降低了挖掘深度和填土需砂石量。
2、垂直埋管熱泉系統(tǒng)
垂直埋管熱泉系統(tǒng)有淺埋和深埋兩種。淺埋深度為8m到10m．安裝成環(huán)形、六邊形或直角形，并采用同軸柔性套管。這種設(shè)計(jì)是由Ambrose在1946年提出的，增大外殼直徑是為了提高熱交換性能。深埋的鉆孔深度由現(xiàn)場(chǎng)鉆孔條件及經(jīng)濟(jì)條件決定，一般為33m到180m不等。溶液在垂直的U 形彎管中循環(huán)。為了減少泵容量，有必要采用平行埋設(shè)，在垂直埋管系統(tǒng)中。管道深入地下，土壤熱特性不會(huì)受地表溫度影響。因此能確保冬季散熱與夏季得熱間土壤的熱平衡。平衡的方法可以采用集熱器，在夏季集中熱量并送入地下加熱土壤，或使熱泵反轉(zhuǎn)在夏季為土壤加熱，以備冬季之用。集熱設(shè)備一般采用太陽能和風(fēng)能集熱，此類設(shè)備具有高蓄熱能力、溫升能力。
垂直埋管熱泵系統(tǒng)較水平系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)。首先它不需像水平埋管系統(tǒng)那樣需要大的場(chǎng)地面積。其次在許多地區(qū)，地面以下的一段距離，土壤處于濕度飽和狀態(tài)，而這段距離又正是熱交換器所在的位置，因此對(duì)熱交換有利。在制冷季節(jié)，水平系統(tǒng)流入盤管中的溶液加熱了飽和的土壤層使水分降低，從而降低了土壤導(dǎo)熱率。使得熱交換的效率也降低。而垂直埋管中，這種水分轉(zhuǎn)移只有很小的一部分。而且垂直埋管熱泵的穩(wěn)定工況和部分負(fù)荷的運(yùn)行效率比滿負(fù)荷情況好，而一般的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況是在滿負(fù)荷情況下，但實(shí)際卻很少在此情況下運(yùn)行，效率也就很難保證是在高效區(qū)。
2.3.2 按中有無中間流體分類
按有無中間流體分類，土壤源熱泵分為流體地偶熱泵，即在制冷劑和大地之間存在一種中間流體，多為水、鹽水或乙二醇溶液；另一種用得較少的系統(tǒng)是直接膨脹式地偶熱泵系統(tǒng)，即利用大量制冷劑直接在地下盤管內(nèi)與環(huán)境進(jìn)行熱交換。
2.3.3 按與土壤環(huán)繞管道材料分類
現(xiàn)在用于土壤系統(tǒng)的管道材料多采用熱熔性塑料，包括聚乙烯管、聚丁烯管和聚氯乙烯管(PVC)?？梢?，PVC管的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)低，所以不適合用于此類系統(tǒng)下的導(dǎo)熱材料。試驗(yàn)表明，若使土壤導(dǎo)熱性提高一倍，在連續(xù)運(yùn)行情況下，聚乙烯管道的熱交換升高25％，而PVC管只升高l2％。所以應(yīng)盡量采用高密度聚乙烯材料，盡管金屬具有良好的導(dǎo)熱性，它們的性能比高密度聚乙烯提高不多，但造價(jià)昂貴。另外由于高密度聚乙烯具有高強(qiáng)度和抗腐蝕能力，所以選用這一類柔性材料作為地下埋管換熱材料的土壤源熱泵系統(tǒng)壽命可長達(dá)50年之久。由于土壤熱交換與管徑并沒有很明顯的關(guān)系，所以管徑的選擇是出于管道壓力損失而產(chǎn)生的運(yùn)行費(fèi)用與管道造價(jià)的折衷考慮，一般取20mm 到50mm。
3 土壤源熱泵的適用范圍
地能供暖技術(shù)對(duì)地能資源的收集，主要集中在 100米以內(nèi)的淺地層。這一范圍地質(zhì)結(jié)構(gòu)是多樣的，既有黏土也有砂土，砂土中既有粗砂也有細(xì)砂，還有卵石加砂，有的甚至是基巖。這些不同的構(gòu)造，其滲水率和熱導(dǎo)率都不同，滲水率高的只適用于水源熱泵技術(shù)，熱導(dǎo)率高的就適用于土壤源熱泵技術(shù)。
4 天津地區(qū)的應(yīng)用
4.1 天津地區(qū)運(yùn)用土壤源熱泵的背景
天津地區(qū)現(xiàn)有的供熱(包括洗浴、飲水等)系統(tǒng)基本上是由各行政單位的燃煤鍋爐承擔(dān)，其供熱管網(wǎng)也布置在本單位的范圍內(nèi)。煤煙污染嚴(yán)重，能源浪費(fèi)大，安全隱患多的現(xiàn)象比較突出。近年來，天津陸續(xù)進(jìn)行了鍋爐房聯(lián)網(wǎng)改造等，使上述現(xiàn)象正在得到逐步地改善。
4.2 天津港地區(qū)運(yùn)用土壤源熱泵的現(xiàn)狀
天津市地?zé)豳Y源勘探開發(fā)起步于70年代，地?zé)崽锏囊?guī)模大、儲(chǔ)量高，折合電能大于50兆瓦。天津市地?zé)嶂苯永米咴谌珖那傲?，?001年，用于供暖的地?zé)峋_(dá)200余口，地?zé)峁┡娣e已達(dá)800萬平米。我市在有效降低地?zé)嵛菜疁囟?，中高溫地?zé)釤岜眉夹g(shù)，地表淺層的地?zé)崮芾茫裙┡种评涞牡卦礋岜霉?jié)能技術(shù)方面有較好的研究基礎(chǔ)和工程開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。
代表性工程有：天津市梅江居住區(qū)一綜合辦公樓，建筑面積2991m2，建筑熱負(fù)荷147KW，建筑冷負(fù)荷320KW。經(jīng)過了冬季1個(gè)月、夏季近3個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行，該地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，總體效果上達(dá)到了預(yù)期的實(shí)際目標(biāo)，冬季采暖房間的室內(nèi)溫度穩(wěn)定在18℃以上，夏季空調(diào)房間的室內(nèi)溫度基本穩(wěn)定在25℃左右，均達(dá)到設(shè)計(jì)溫度的要求。[5]
4.3 天津港地區(qū)運(yùn)用土壤源熱泵的優(yōu)缺點(diǎn)
在天津港地區(qū)使用土壤源熱泵時(shí)除了具有實(shí)用土壤源熱泵共同的優(yōu)點(diǎn)外，還具有許多地區(qū)不具備的優(yōu)點(diǎn)：天津港地處溫帶地區(qū)，冬季供熱負(fù)荷和夏季制冷負(fù)荷相差不大，容易平衡，不會(huì)導(dǎo)致地下積聚過多的熱量和冷量。
缺點(diǎn)以及應(yīng)該注意的問題：
1、天津港地區(qū)地層條件復(fù)雜，約80%的面積被咸水覆蓋，且咸水埋深較淺。建設(shè)地埋管式土壤源熱泵項(xiàng)目極易造成咸淡水串層，導(dǎo)致地下水污染，對(duì)鑿井工藝要求很高。況且，國內(nèi)的設(shè)備材質(zhì)、生產(chǎn)工藝水平與國外尚有一定差距，一旦控制溫度的循環(huán)液泄露，也將對(duì)地下水造成嚴(yán)重污染。在設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)有其注意這方面的問題。
2、在北方寒冷地區(qū)，冬季進(jìn)入地下埋管換熱器的液體溫度一般均在0℃以下，換熱器周圍含濕量的土壤可能凍結(jié)。根據(jù)定性分析，水份凍結(jié)時(shí)，有大量的潛熱被釋放出來，因此在吸收同等數(shù)量的熱量情況下，土壤降低的溫度幅度小，水份越多，釋放的潛熱越多，溫度降低幅度越小，在鄰近換熱器埋管的土壤溫度越高。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到以上因素。
5 結(jié)論
盡管土壤源熱泵還存在著初投資大、施工困難、埋地?fù)Q熱器受土壤物性影響較大、連續(xù)運(yùn)行時(shí)熱泵的冷凝溫度或蒸發(fā)溫度受土壤溫度的影響而發(fā)生波動(dòng)及土壤導(dǎo)熱系數(shù)小而導(dǎo)致埋地?fù)Q熱器的面積較大等不足之處，但一些國際組織及從事熱泵的研究者都普遍認(rèn)為：由于土壤資源廣泛，在目前和將來，土壤源熱泵是有前途的節(jié)能裝置和空調(diào)系統(tǒng)，是國際空調(diào)和制冷行業(yè)的前沿課題之一，也是地能利用的重要形式，1998年，美國暖通空調(diào)制冷工程師學(xué)會(huì)的ASHRAE技術(shù)獎(jiǎng)就授予了土壤源熱泵的應(yīng)用項(xiàng)目。
目前，世界各國都比以前更加關(guān)注能源、環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展問題，而傳統(tǒng)的以燃煤為主的能源結(jié)構(gòu)也越來越滿足不了當(dāng)前形勢(shì)發(fā)展的需要。因此，要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，就必須盡可能地利用清潔、可再生能源，而土壤源熱泵因其節(jié)能性、環(huán)保性及運(yùn)行的穩(wěn)定性而成為一個(gè)很好的選擇。同時(shí)，經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，土壤源熱泵在技術(shù)上也趨向成熟，而且通過大量的實(shí)踐證明：土壤源熱泵的確具有節(jié)能、環(huán)保、資源可再生、舒適安全、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。目前，在地下土壤中廣泛存在著可為我們所利用的大量能源資源，且在數(shù)量上近乎無限，不受地域資源的限制，如能通過設(shè)計(jì)合理的土壤源熱泵加以利用，則必將為緩解世界各國所面臨的全球性問題做出很大貢獻(xiàn)，土壤源熱泵因其節(jié)能性、環(huán)保性將成為2 1世紀(jì)有發(fā)展前途的供暖空調(diào)系統(tǒng)裝置之一。
2.3.1 按地下埋管系統(tǒng)分類
地下埋管熱泵系統(tǒng)按埋管形式可分為水平埋管熱泵和垂直埋管熱泵。水平埋管是目前工程實(shí)例中常采用的，多其用于采暖。而垂直埋管一般認(rèn)為其性能優(yōu)于水平埋管系統(tǒng)，但施工難度相對(duì)高一些。
1、水平埋管熱泵系統(tǒng)
關(guān)于水平埋管熱泵的研究開始于1930年到1940年?，F(xiàn)在歐洲普遍使用的此類系統(tǒng)多只用于采暖。水平盤管系統(tǒng)有單層和雙層兩種形式，可采用U形，蛇形，單槽單管 單槽多管等形式。單層是早也是常用的一種形式，一般的設(shè)計(jì)管埋深度為0.5m到2.5m之間。由于土壤飽和度不同，壕溝深度也不同。若整個(gè)冬季土壤均處于飽和狀態(tài)，壕溝的深度就一定要大于l.5m 同時(shí)用于采暖．管埋深度超過1.5m蓄熱就慢，而小于0.8m,盤管就會(huì)受地面冷卻和結(jié)凍的影響，另外管間距小于1.5m，盤管間可能會(huì)產(chǎn)生固體冰晶并使春季蓄熱減少。雙層盤管系統(tǒng)一層約在1.2m深，另一層約在1.9m深，即先在l.9m深敷設(shè)一層管道再回填至1.2m深鋪設(shè)另一層 雙層鋪設(shè)大幅度降低了挖掘深度和填土需砂石量。
2、垂直埋管熱泉系統(tǒng)
垂直埋管熱泉系統(tǒng)有淺埋和深埋兩種。淺埋深度為8m到10m．安裝成環(huán)形、六邊形或直角形，并采用同軸柔性套管。這種設(shè)計(jì)是由Ambrose在1946年提出的，增大外殼直徑是為了提高熱交換性能。深埋的鉆孔深度由現(xiàn)場(chǎng)鉆孔條件及經(jīng)濟(jì)條件決定，一般為33m到180m不等。溶液在垂直的U 形彎管中循環(huán)。為了減少泵容量，有必要采用平行埋設(shè)，在垂直埋管系統(tǒng)中。管道深入地下，土壤熱特性不會(huì)受地表溫度影響。因此能確保冬季散熱與夏季得熱間土壤的熱平衡。平衡的方法可以采用集熱器，在夏季集中熱量并送入地下加熱土壤，或使熱泵反轉(zhuǎn)在夏季為土壤加熱，以備冬季之用。集熱設(shè)備一般采用太陽能和風(fēng)能集熱，此類設(shè)備具有高蓄熱能力、溫升能力。
垂直埋管熱泵系統(tǒng)較水平系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)。首先它不需像水平埋管系統(tǒng)那樣需要大的場(chǎng)地面積。其次在許多地區(qū)，地面以下的一段距離，土壤處于濕度飽和狀態(tài)，而這段距離又正是熱交換器所在的位置，因此對(duì)熱交換有利。在制冷季節(jié)，水平系統(tǒng)流入盤管中的溶液加熱了飽和的土壤層使水分降低，從而降低了土壤導(dǎo)熱率。使得熱交換的效率也降低。而垂直埋管中，這種水分轉(zhuǎn)移只有很小的一部分。而且垂直埋管熱泵的穩(wěn)定工況和部分負(fù)荷的運(yùn)行效率比滿負(fù)荷情況好，而一般的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況是在滿負(fù)荷情況下，但實(shí)際卻很少在此情況下運(yùn)行，效率也就很難保證是在高效區(qū)。
2.3.2 按中有無中間流體分類
按有無中間流體分類，土壤源熱泵分為流體地偶熱泵，即在制冷劑和大地之間存在一種中間流體，多為水、鹽水或乙二醇溶液；另一種用得較少的系統(tǒng)是直接膨脹式地偶熱泵系統(tǒng)，即利用大量制冷劑直接在地下盤管內(nèi)與環(huán)境進(jìn)行熱交換。
2.3.3 按與土壤環(huán)繞管道材料分類
現(xiàn)在用于土壤系統(tǒng)的管道材料多采用熱熔性塑料，包括聚乙烯管、聚丁烯管和聚氯乙烯管(PVC)?？梢?，PVC管的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)低，所以不適合用于此類系統(tǒng)下的導(dǎo)熱材料。試驗(yàn)表明，若使土壤導(dǎo)熱性提高一倍，在連續(xù)運(yùn)行情況下，聚乙烯管道的熱交換升高25％，而PVC管只升高l2％。所以應(yīng)盡量采用高密度聚乙烯材料，盡管金屬具有良好的導(dǎo)熱性，它們的性能比高密度聚乙烯提高不多，但造價(jià)昂貴。另外由于高密度聚乙烯具有高強(qiáng)度和抗腐蝕能力，所以選用這一類柔性材料作為地下埋管換熱材料的土壤源熱泵系統(tǒng)壽命可長達(dá)50年之久。由于土壤熱交換與管徑并沒有很明顯的關(guān)系，所以管徑的選擇是出于管道壓力損失而產(chǎn)生的運(yùn)行費(fèi)用與管道造價(jià)的折衷考慮，一般取20mm 到50mm。
3 土壤源熱泵的適用范圍
地能供暖技術(shù)對(duì)地能資源的收集，主要集中在 100米以內(nèi)的淺地層。這一范圍地質(zhì)結(jié)構(gòu)是多樣的，既有黏土也有砂土，砂土中既有粗砂也有細(xì)砂，還有卵石加砂，有的甚至是基巖。這些不同的構(gòu)造，其滲水率和熱導(dǎo)率都不同，滲水率高的只適用于水源熱泵技術(shù)，熱導(dǎo)率高的就適用于土壤源熱泵技術(shù)。
4 天津地區(qū)的應(yīng)用
4.1 天津地區(qū)運(yùn)用土壤源熱泵的背景
天津地區(qū)現(xiàn)有的供熱(包括洗浴、飲水等)系統(tǒng)基本上是由各行政單位的燃煤鍋爐承擔(dān)，其供熱管網(wǎng)也布置在本單位的范圍內(nèi)。煤煙污染嚴(yán)重，能源浪費(fèi)大，安全隱患多的現(xiàn)象比較突出。近年來，天津陸續(xù)進(jìn)行了鍋爐房聯(lián)網(wǎng)改造等，使上述現(xiàn)象正在得到逐步地改善。
4.2 天津港地區(qū)運(yùn)用土壤源熱泵的現(xiàn)狀
天津市地?zé)豳Y源勘探開發(fā)起步于70年代，地?zé)崽锏囊?guī)模大、儲(chǔ)量高，折合電能大于50兆瓦。天津市地?zé)嶂苯永米咴谌珖那傲?，?001年，用于供暖的地?zé)峋_(dá)200余口，地?zé)峁┡娣e已達(dá)800萬平米。我市在有效降低地?zé)嵛菜疁囟?，中高溫地?zé)釤岜眉夹g(shù)，地表淺層的地?zé)崮芾茫裙┡种评涞牡卦礋岜霉?jié)能技術(shù)方面有較好的研究基礎(chǔ)和工程開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。
代表性工程有：天津市梅江居住區(qū)一綜合辦公樓，建筑面積2991m2，建筑熱負(fù)荷147KW，建筑冷負(fù)荷320KW。經(jīng)過了冬季1個(gè)月、夏季近3個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行，該地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，總體效果上達(dá)到了預(yù)期的實(shí)際目標(biāo)，冬季采暖房間的室內(nèi)溫度穩(wěn)定在18℃以上，夏季空調(diào)房間的室內(nèi)溫度基本穩(wěn)定在25℃左右，均達(dá)到設(shè)計(jì)溫度的要求。[5]
4.3 天津港地區(qū)運(yùn)用土壤源熱泵的優(yōu)缺點(diǎn)
在天津港地區(qū)使用土壤源熱泵時(shí)除了具有實(shí)用土壤源熱泵共同的優(yōu)點(diǎn)外，還具有許多地區(qū)不具備的優(yōu)點(diǎn)：天津港地處溫帶地區(qū)，冬季供熱負(fù)荷和夏季制冷負(fù)荷相差不大，容易平衡，不會(huì)導(dǎo)致地下積聚過多的熱量和冷量。
缺點(diǎn)以及應(yīng)該注意的問題：
1、天津港地區(qū)地層條件復(fù)雜，約80%的面積被咸水覆蓋，且咸水埋深較淺。建設(shè)地埋管式土壤源熱泵項(xiàng)目極易造成咸淡水串層，導(dǎo)致地下水污染，對(duì)鑿井工藝要求很高。況且，國內(nèi)的設(shè)備材質(zhì)、生產(chǎn)工藝水平與國外尚有一定差距，一旦控制溫度的循環(huán)液泄露，也將對(duì)地下水造成嚴(yán)重污染。在設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)有其注意這方面的問題。
2、在北方寒冷地區(qū)，冬季進(jìn)入地下埋管換熱器的液體溫度一般均在0℃以下，換熱器周圍含濕量的土壤可能凍結(jié)。根據(jù)定性分析，水份凍結(jié)時(shí)，有大量的潛熱被釋放出來，因此在吸收同等數(shù)量的熱量情況下，土壤降低的溫度幅度小，水份越多，釋放的潛熱越多，溫度降低幅度越小，在鄰近換熱器埋管的土壤溫度越高。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到以上因素。
5 結(jié)論
盡管土壤源熱泵還存在著初投資大、施工困難、埋地?fù)Q熱器受土壤物性影響較大、連續(xù)運(yùn)行時(shí)熱泵的冷凝溫度或蒸發(fā)溫度受土壤溫度的影響而發(fā)生波動(dòng)及土壤導(dǎo)熱系數(shù)小而導(dǎo)致埋地?fù)Q熱器的面積較大等不足之處，但一些國際組織及從事熱泵的研究者都普遍認(rèn)為：由于土壤資源廣泛，在目前和將來，土壤源熱泵是有前途的節(jié)能裝置和空調(diào)系統(tǒng)，是國際空調(diào)和制冷行業(yè)的前沿課題之一，也是地能利用的重要形式，1998年，美國暖通空調(diào)制冷工程師學(xué)會(huì)的ASHRAE技術(shù)獎(jiǎng)就授予了土壤源熱泵的應(yīng)用項(xiàng)目。
目前，世界各國都比以前更加關(guān)注能源、環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展問題，而傳統(tǒng)的以燃煤為主的能源結(jié)構(gòu)也越來越滿足不了當(dāng)前形勢(shì)發(fā)展的需要。因此，要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，就必須盡可能地利用清潔、可再生能源，而土壤源熱泵因其節(jié)能性、環(huán)保性及運(yùn)行的穩(wěn)定性而成為一個(gè)很好的選擇。同時(shí)，經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，土壤源熱泵在技術(shù)上也趨向成熟，而且通過大量的實(shí)踐證明：土壤源熱泵的確具有節(jié)能、環(huán)保、資源可再生、舒適安全、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。目前，在地下土壤中廣泛存在著可為我們所利用的大量能源資源，且在數(shù)量上近乎無限，不受地域資源的限制，如能通過設(shè)計(jì)合理的土壤源熱泵加以利用，則必將為緩解世界各國所面臨的全球性問題做出很大貢獻(xiàn)，土壤源熱泵因其節(jié)能性、環(huán)保性將成為2 1世紀(jì)有發(fā)展前途的供暖空調(diào)系統(tǒng)裝置之一。