地源热泵技术在汶上地区的应用研究

论文导读：地源热泵系统是实现低位热能向高位热能转移的一种技术。工作原理，地源热泵技术在汶上地区的应用研究。
关键词：地源热泵，工作原理，模式分析
 

地源热泵系统是利用地表以下一定深度范围内(一般为200m以上)的浅层地热能，利用其与自然季节温差部分的热能来满足建筑物的供暖、制冷和生活用水的需求。该技术利用热泵工作原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移的一种技术。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地下去。通常热泵系统输入1kW的电能，用户可以得到4 kW的热量或冷量[2]。该系统具有节能、经济、环境效益显著、一机多用等优势，符合能源经济可持续发展的要求。本文结合汶上县的水文地质条件，对地源热泵技术在该区应用的可行性进行了探讨。

1、热泵的分类

地源热泵系统是实现低位热能向高位热能转移的一种技术。常见的是机械压缩式热泵。根据机械压缩式热泵所吸收的可再生低位热源的种类，热泵可分为：空气源热泵、水源热泵和土壤源热泵等。

空气源热泵系统是以空气作为低温热源。这种空气源热泵的安装和使用都非常方便，虽然被人们广泛应用了很多年，但目前仍存在一些缺点。由于空气的状态参数随地区和季节的不同而不同，这对空气源热泵的容量和制热性能系数影响很大，空气温度偏高或偏低时，热泵的性能系数就会变得很低。

水源热泵是一种利用地球表面或浅层水源（如地下水、河流和湖泊），或者是人工再生水源（工业废水、地热尾水等）的既可供热又可制冷的高效节能系统。水源热泵采用热泵原理，输入少量的高品位电能，实现低品位热能向高位热能转移。主要包括地下水水源热泵和地表水水源热泵。①地下水水源热泵系统，也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。由于其造价低、容量大、水的温度稳定，所以市场占有率高。博士论文，工作原理。但是地下水回灌的堵塞问题还没有得到根本解决，在使用方面地质环境方面的问题也比较突出，主要表现在地面沉降和地下水质污染。②地表水水源热泵系统是通过直接抽取或者间接换热的方式，利用包括江水、河水、湖水、水库以及海水作为冷热源。博士论文，工作原理。地表水源热泵的开式系统涉及面广、复杂，容易造成环境污染和地表水资源枯竭。直接抽取的换热方式会对热泵机组产生腐蚀和堵塞，因此系统应当谨慎采用，建议使用间接换热方式为佳。

土壤源热泵系统是一种领先的空调技术，它可以实现水源热泵系统的诸多优点，并还能节省相当可观的运行费用。土壤源热泵系统解决了地下水源热泵系统的地下水回灌问题，避免了地下水资源对热泵机组使用的影响和地下水被污染的可能性，并且系统的安装和使用不会改变建筑的外观和结构。博士论文，工作原理。

2、地源热泵与水文地质环境的适宜性

地下水井或埋管换热器的结构、性能主要取决于当地的水文地质构造,同时地下部分一旦建成就不可再更改，因此在使用地源热泵技术之前，必须深入了解当地的水文地质构造。地质构造及其适合的地源热泵形式如表1所示。

表1　岩土热物性参数及其适合的地源热泵形式

注:序号1~13的土壤地区适合做土壤源热泵系统；序号19~28的土壤地区适合做水源热泵系统；序号29~38的土壤地区不太适合做地源热泵系统。

3、汶上县的水文地质构造

汶上县属华北平原之鲁西南平原和鲁中山区西南边缘丘陵区交接地带，为黄泛区交错带。整个地势东北缓向西南按地面坡降，大致分为丘陵、平原和湖洼3个区域。东北部有连绵起伏的丘陵，西南是地势低洼的湖洼，中部为肥沃的平原。境内除东北部有连绵起伏的丘陵外，其余广为第四纪松散堆积物覆盖，第四系以下，自下而上广泛发育有太古界泰山群，古生界寒武、奥陶系、石炭、二叠系，新生界第三系，局部分布有中生界侏罗系。

第四系冲击层岩性由粉土、粉质粘土、中粗砂等构成。①粉土：褐黄等颜色，该层厚度为1.1～3.8m，层底埋深1.1～3.8m。②粉质粘土（全新统冲击层）：灰褐、黄褐、灰黑等色，以软塑状态为主，该层厚度为2.6～6.5m，层底埋深7.8～8.9m。博士论文，工作原理。③粉质粘土（上更新统冲击层）：灰黄、黄褐、棕黄等色，硬塑状态为主，该层厚度为1.2～8.1m，层底埋深9.2～16.1m。④中粗砂;灰黄、灰白等色，密实，饱和，该层厚度0.5～6.9m，层底埋深11.8～17.9m。汶上地区粗砂含水层分布广，单井出水每小时60～120m3，地下水资源丰富。

4、汶上县适合的地源热泵模式分析

东北部丘陵地带，多属于岩石构造，打井十分困难，费用高，不适合采用地源热泵模式。在地表水丰富的地区可以采用地表水水源热泵，在地表水缺乏的地区建议采用融霜性能较好的蓄能融霜型空气源热泵系统。

中部平原区沉积了较厚的第四纪冲积物，冲积层堆积物岩性由粉土、粉质粘土、中粗砂等构成。博士论文，工作原理。粉土、黏性土的水文地质构造区，打孔下管容易，地下蓄热体蓄存同样的冷(热)量需要的体积比较小，适合于土壤源热泵工程；但是透水性能特别差，单井出水量小，打井数量多，造价高，不适合地下水源热泵工程。粗砂水文地质构造区透水性能比较好，井抽灌比小，系统打井数量比较少，打井费用比较低，比较适合地下水源热泵工程。博士论文，工作原理。

西南部地势低洼的湖洼区，为湖相沉积物、黄泛冲积物覆盖，地表水资源丰富，建议采用地表水水源热泵，也可以采用土壤源热泵。

5、结论及建议

(1) 地下水水源热泵系统具有占地少、造价低、技术较成熟等优势，但是地下水回灌的堵塞问题没得到根本解决，还容易造成地下水质污染。地表水水源热开式系统涉及面广、复杂，容易造成地表水环境污染和资源枯竭，因此系统应当谨慎采用，建议使用间接换热方式为佳。土壤源热泵系统基本上适合任何地质条件，但造价相对较高，占地面积相对较大，在人口集中区具有一定的局限性。土壤源热泵系统能够解决水源热泵系统的地下水回灌问题和地下水被污染的可能性，还能避免地表水环境污染和资源枯竭的问题，建议优先采用此种模式。

(2) 北部丘陵区、中部平原区和南部湖洼区3个不同水文地质区域适合不同的地源热泵模式。北部丘陵地带，多属于岩石构造，在地表水丰富的地区可以采用地表水水源热泵，在地表水缺乏的地区可以用空气源热泵方案。中部平原区，表面冲积层堆积物岩性有粉土、粉质粘土、中粗砂等构成。建议采用土壤源热泵工程或地下水源热泵工程。西南部地势低洼的湖洼区，地表水资源丰富，建议采用地表水水源热泵，也可以采用土壤源热泵。

(3) 汶上地区分布着丰富的浅层地热能，建议有关部门尽快制定浅层地热能开发利用规划，更合理更科学地开发利用浅层地热能。