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摘要：随着社会的发展和科学的进步，能源，已经成为影响社会经济发展的关键因素。可再生能源的大范围利用，已经成为不可阻挡的大趋势，其中，地源热泵技术作为可再生能源技术中的重要组成部分之一，受到了行业内的高度重视。这项技术能够利用浅层地热能资源来提供诸多取暖设备的能量来源，对于我国未来的经济发展具有重要的意义。文章研究分析了地埋管地源热泵气候相对适宜性研究，以供参考。
关键词：较适宜区；层次分析法；细化分区
前言
随着能源短缺和环境恶化的加剧，地埋管地源热泵系统因其节能、环保、运行经济可靠等优点，在国内外广泛应用。但是，目前地埋管地源热泵系统在设计及运行过程中仍存在着一些问题，其中由建筑冷热负荷不相等造成系统向地下土壤取放热不平衡而引起的地温累积效应，成为系统应用中关注焦点。
1 地源热泵概述
地源热泵系统是运用岩石或者土壤作为主要的热量来源，利用地埋管换热气试下传热介质和土壤之间的热交换。从埋管系统的埋管方式的角度出发，可以将地源热泵系统分为两类：垂直埋管系统和水平埋管系统，两者各有优劣。对于垂直埋管系统，其优点是占地小，周围土壤的热物性范围小，对于管材等方面的需求较小，但热泵的效率较高。缺点主要有两个方面：①成本较高，投入大；②技术要求较高，施工难度大。对于水平埋管系统，主要优势是成本低，初期投资较小，技术难度较垂直埋管系统降低，施工难度下降。同时，热泵的效率较低，土壤温度和热物性受到季节和温差的影响，波动范围较大。从水源的来源角度出发，可以将地源热泵系统分为地下水热泵系统和地表水热泵系统。地下水地源热泵利用从地下抽取的含水层的水作为热源，将抽取的地下水经过热泵机组，实现热交换，再经过换热器返回到含水层。这种系统的优点是施工简单，技术成熟，同时占地面积小，成本较低；缺点是地下水的资源有限，在抽取后需要对其进行非常严格的预处理，一旦发生含水层较深的情况，就会使得在抽取过程中，出现水泵消耗的能量增加的情况，给抽取工作带来的极大的困难。对于地表水地源热泵，主要是用江河湖还等水源作为主要热源，再进一步细化分，又可以分为开式和闭式两种类型。目前，闭式地表水系统应用较多，其主要优点是，能耗低，维护和运行费用低，初始投资和成本较土壤源热泵系统要低很多；缺点是由于换热盘管在室外，非常容易损坏。另一方面水体温度受室外的温度影响较大，对于热泵的运行是极为不利的。地源热泵的能量来源于浅层地热，一般为地表400m以下。当深度达到一定的范围后，土壤温度不再受到大气的影响，基本保持不变。夏季，土壤温度低于大气温度，冬季正好相反，这样使得热泵运行过程中热源和热汇的差距进一步缩小，有利于维持热泵的稳定性。热泵系统在夏季，通过热传介质的循环，实现将热量传递到土壤中去的功能，在冬季，循环过程相反，热传介质将从土壤中吸收的热量传递给热泵，从而实现热量的传递。
2 地埋管地源热泵气候相对适宜性研究
渤海新区作为河北省沿海经济发展的重点支柱点之一，其绿色能源的大力发展对推动全省经济的可持续发展及能源结构的调整均具有重要意义。本次工作的开展将详细展示工作区内各分区地源热泵的应用条件，这不仅对政府的开发利用规划具有重要意义，同时能为后续工程开发利用提供数据基础。
2.1 适宜性分区
本次分区是以DZ/T0225—2009浅层地热能勘查评价规范（以下简称规范）中的地埋管式地源热泵评价指标为依据，对工作区地埋管换热方式的适宜性进行分区。本次研究区均为第四系覆盖，其厚度均大于100m；受沉积条件影响，工作区内地层岩性多为粘土，200m范围内无卵石层分布；根据搜集的钻孔资料显示工作区200m范围内，含水层分布较少，且含水层的岩性多为粉砂或粉细砂并含粘土颗粒，其总厚度均在20m左右。因此根据以上分析结果及《规范》中各项指标要求，将渤海新区研究区划为地埋管换热方式较适宜区。
2.2 细化分区
本次采用数据分析案例中较为常用的层次分析法对渤海新区研究区的地埋管式地源热泵的较适宜区进行细化分区。
2.3 评价体系
根据研究区内影响地埋管式地源热泵利用的各因子变化情况及以往工程案例施工及后续运行中存在的问题，确定了本次评价体系。其中热导率及平均换热量均是通过现场热响应试验参数计算求得；热扩散率是以本次岩土化验测试结果为依据；地面沉降速率指标参数是通过INSAR（SAR是一种先进的主动式微波对地观测设备，INSAR是将传统的SAR遥感技术与射电天文干涉技术相结合的产物）及二等水准测量获取的成果为依据。
2.4 建立矩阵
根据专家建议及实际案例中各评价因子相互间的重要性建立判断矩阵，见表1。根据计算表1矩阵的最大特征值和最大特征向量分别为5.11和（0.550，0.225，0.103，0.061，0.061）。其CI（判断矩阵的一致性指标）为0.028、RI（判断矩阵的平均随机一致性指标）为1.12，由此其CR（判断矩阵的一致性比例）为0.025（远小于0.10），因此说明所建矩阵的一致性是可接受的。
3 地埋管地源热泵气候相对适宜性分析
3.1 分析用气象数据来源
采用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中的典型气象年数据。
3.2 评价指标的选取与计算
影响气候适宜性的因素众多，分析时应选择对技术具有决定意义的气候指标。地埋管地源热泵技术是利用地下岩土作为热泵吸热源和排热汇的蓄热体空调技术，其本质是利用岩土为热泵提供高效运行的环境。供热工况下，要求岩土初温尽可能高；供冷工况下，要求岩土初温尽可能低；岩土初温决定了热泵运行环境，亦即决定了热泵机组运行效率的高低。因此，岩土初温是决定地埋管地源热泵技术在一个地区是否适用的基础参数。岩土初温受地表空气温度及太阳辐射的影响，随深度和时间而变化，按温度变化的特征自地面而下可分为三层：变温层、恒温层及增温层。变温层的温度受地表气象条件的影响呈昼夜、季节等周期性波动；恒温层，地表影响与地球内部热能影响处于相对平衡状态，因此温度常年稳定，其温度及深度与当地所处纬度、地理位置、气候条件、岩石性质等因素有关；增温层主要受地球内部热能影响，温度随深度增加而升高，绝大部分地区的平均增温率为0.03℃/m。岩土热响应实验表明，其初始温度与整个钻孔深度范围内温度积分平均值比较接近，而与恒温层温度存在一定偏差，可通过半无限大物体周期性变化边界条件下的温度场理论模型计算岩土积分平均温度。
3.3 评价结果与分析
地埋管地源热泵的气候相对适宜性是地表年均温度、度时数差值、净辐射量差值及累计过余含湿量综合作用的结果，其中度时数差值与累计过余含湿量对适宜性影响较大，地表年均温度与净辐射差值的影响较小。
4 结束语
根据《规范》中地埋管式地源热泵的评价因子指标将本次研究区划为地埋管式地源热泵较适宜区；采用层次分析法对研究区内地源热泵较适宜性条件其进行了细化分区；细化分区成果直观地反映研究区内地源热泵利用条件的相对优劣情况；细化分区成果对政府的开发利用规划及后续工程施工均具有重要意义。
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论文作者:洪浩
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第19期
论文发表时间:2017/12/13
标签：源热泵论文; 系统论文; 温度论文; 适宜论文; 岩土论文; 热泵论文; 土壤论文; 《建筑学研究前沿》2017年第19期论文;