地源热泵技术在江阴地区的应用分析

摘要：通过对江阴地区地源热泵应用情况的调查，分析了设计和施工等方面存在的影响热平衡的因素，提出了改进的措施和建议，为江阴地区地源热泵的应用和可持续发展提供技术参考。

0 引言

近年来，江阴地区经济快速发展，各类公共建筑及住宅建筑如雨后春笋般拔地而起，建筑能耗数量巨大，而且每年还在高速增长，建筑用能已成为能源消耗的主力军之一。而江阴地区能源供应十分紧张，每到夏季用电高峰时，政府为了保障居民生活用电，不得不对有关企业进行限产限电，甚至要求企业停工。因此，地源热泵系统作为一种利用可再生能源技术，能够节省大量的电能，在江阴地区得到越来越广泛的应用。然而地源热泵技术作为一种新技术、新系统，在我国应用的时间还不长，还处于探索和积累经验阶段，在设计理论、施工技术、设备制造、运行管理等方面都还不够成熟，或多或少存在一些问题。下面就该技术在江阴地区的应用情况及热平衡问题作一定的技术分析。

1 江阴地区地源热泵应用现状

江阴浅层地热能利用以地源热泵为主， 主要应用在民用建筑和高档住宅小区中。5年前江阴仅有几个项目采用该系统，从前年开始地源热泵系统在江阴得到了大量的应用，有大型商场，如江阴红星美凯龙大型建材超市、江阴青阳医院、江阴人民武装部办公大楼等，也有住宅小区，如和院住宅小区、苏龙苑小区等。

根据江阴地质、水文情况，江阴地区的地源热泵系统以土壤源热泵系统为主。地埋管换热器孔井直径150～180 min，孔深90～100 m，孔距一般为4～5 m，大多为垂直双u管，少数采用单U管，5～8个孔井为一组，地埋管均为并联连接。夏季地埋管每延米释热量为55~80 W，冬季每延米吸热量为34~50 W，地埋管进出水温度夏季为30~35℃，冬季温度为5～10℃。孔井回填材料多为原浆加水泥混合物，部分项目为膨润土加水泥浆，其中膨润土比例为5%～8% 。

2 地埋管传热过程和土壤热平衡技术分析

地下土壤是个多相介质，其中有土、砂、地下水和空气等，地下水的含量和温度对传热效果有着决定性的作用。其次，土壤的种类和组成比例以及地埋管四周的回填材料的热性能也会对传热过程和效果产生重要影响，地埋管所采用的材料、壁厚、管内水的流速也是影响传热的重要因素。另外地埋管之间土壤的温度变化还受其周围地埋管温度波在该处叠加的影响。空调负荷的变化以及热泵机组的运行方式也会引起地埋管周围的土壤温度处在一个不断变化的过程中，改变着土壤的温度场。因此，地埋管换热器的实际传热过程是一个非常复杂的非稳定的传热过程。

但由于大地本身具有很强的蓄热能力，是一个地下蓄热体，所以只要设计能保证每年空调系统从地下吸取与释放的热量基本相等，就可以保持全年的热平衡。如果夏季通过土壤源地埋管换热器排入地下的热量大于冬季从地下吸取的热量，就会造成热量在地下的堆积，长时间运行后会引起地下土壤温度的上升，所能排放的热量会逐年减少，热泵机组冷凝温度就会升高，影响机组的COP值。相反，当冬季取热量大于夏季排热量时会造成地下土壤温度的持续降低，所能吸取的热量也会逐年减少，机组的蒸发温度就会降低，同样影响机组的效率。上述两种情况都属于热不平衡问题，都有可能引起热泵机组运行工况的恶化，最终导致土壤源地源热泵系统不能正常运行。因此，地源热泵系统中最为关键，同时也是最为核心的是地埋管换热器的设计和施工。地埋管系统设计和施工的质量决定着整个地源热泵系统的使用效果乃至使用寿命。笔者调查了江阴地区多家地源热泵用户，发现很多用户都不同程度地存在影响传热的因素和热不平衡问题，这个问题如不解决，将缩短地源热泵系统的使用年限，影响该技术的推广和应用。

3 影响传热和导致热不平衡的因素

3.1 勘探因素

根据规范要求地埋管地源热泵系统在方案设计前，应对工程所在地的地质情况进行勘察。勘察的项目主要有地下土体的结构和分布情况、土体温度、土体的热物理性能、地下水水位、水温和水质情况以及水流方向、水流速度等。但在实际工程中由于受建设方资金影响，往往布点数量、布点间距不能满足要求，再加上该项勘察不同于普通的地质勘察，勘探人员受设备和自身技术水平的限制，导致勘察结果不准确。有的项目没有进行岩土热响应测试或测试不够准确，提供给设计人员的数据与实际情况不相符。

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