河北省地下有“宝库”
作者： 发布于：2014-07-16 9:06:55 点击量：
2012年投入使用的河北建筑科技研发中心办公楼有一件稀罕事：盛夏时节室外温度升至30℃，十分炎热。然而，没有安装传统空调的30多个房间内凉爽宜人，室温只有26℃左右，没有让200多名工作在这里的员工感到丝毫炎热。寒冬季节同样让人惊奇，尽管室外温度低达零下十余摄氏度，但没有安装一块暖气片的办公室同样温暖如春。
这个尖顶的漂亮建筑外表看不到传统空调的外机，也看不到大型空调所用的冷却塔，更没有锅炉的踪影，四季如春的感觉如何而来？
答案在地下。在河北省建筑科技研发中心气派漂亮的主楼内和地下，布有浅层地热利用设施。这个新颖的方法成功使近2万平方米的建筑内四季如春。“这里安装了土壤型地源热泵，往地下打了108个110米深的孔，每个孔下了一个U形管，管内注满了水。水作为一种介质，能够实现地上地下热量的交换和传递。”在河北省建筑科技研发中心的地下一层，边智慧副院长指着两台地源热泵机组说，地源热泵就是地上与地下热量交换枢纽。在冬天，地下土壤中的热量通过热泵带到室内；相反，在夏天，室内的热量通过热泵排入到地下土壤中去。然后，再通过布在楼内的管道输送到各个办公室。
在边智慧看来，浅层地热能是一个巨大的“绿色能源宝库”。“在我们脚下的数十米到数百米深的地下，温度很恒定，这个地区在15摄氏度左右。”边智慧说，浅层地热能间接来自于太阳能，它收集了太阳射向地球60%的能量，相当于人类每年能耗的近2万倍，加上地核芯热综合作用，这个地层形成相对恒温层带。
不过，这一温度并不能达到冬季供暖和夏季制冷要求，要实现冬暖夏凉还需要“地源热泵技术”。他解释说，地源热泵技术主要是利用地下常温土壤和地下水相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统或地下水，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移与建筑物完成热交换的一种技术。
地源热泵技术正变得越来越先进。在热泵机组上有一个普通的液晶显示屏，“别看它普通，作用可大呢！”边智慧说，这个显示屏是个小电脑，控制着热泵机组的工作状态，通过按钮，就可以控制供暖制冷设施。
来自地下的能源很节能
与传统能源相比，地源热泵的应用让整栋建筑不再需要锅炉、冷却塔等设备，建筑看起来更漂亮、完整。那么相比传统能源，这种能源从数据上比较有多节能呢？
唐山滦南县光荣院是一个难得的燃煤锅炉和地源热泵的比较场。这座唐山的养老院有两栋楼，2013年刚刚入住的公寓楼用的是地源热泵，而老楼用的是燃煤锅炉。两个采用不同热源方式的机房紧挨着，一个门口十分干净，另一个门口地面却有黑黑的痕迹。干净的是热泵机房，有黑煤痕迹的则是燃煤锅炉机房。
安装了地源热泵后，唐山滦南县光荣院院长潘秀荣就留意着两种供热方式的账目：燃煤锅炉和地源热泵的前期投入差得并不多，但用燃煤锅炉的老楼大概8400平方米，一个采暖季用煤800吨，以每吨600元计算，大概要48万，还需要3个工人，工资大概十几万。而用地源热泵的公寓楼8600平方米，一个采暖季，电费大概是22万元。一个采暖季，用地源热泵的楼大概节省30多万元。“而且热泵的效果更好，还能一机多用。”他说，燃煤锅炉只能供暖，而目前改过的地源热泵还能在夏季当空调用。
现在，潘秀荣正在筹划着要把老楼也一起改了。在他看来，地源热泵系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统，不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。
而从事20余年建筑节能设计的河北建筑科技研发中心的边智慧对一栋建筑的整体节能和外观同样关注。在他看来，传统的空调系统中，不管是水冷或风冷，其换热器对建筑立面造型均造成一定的破坏作用。而且，水冷换热器须配置冷却塔，且必须置于大气中，风冷机组也一样，都要暴露于建筑物之上的大气之中，影响了建筑立面造型美观效果。
“而且，风冷换热器和水冷换热器的换热环境均为大气，和大气换热不可避免地受到环境条件变化的影响。”他举例说，比如，夏天当室外温度达到40℃时，由于换热效率的降低，主机的制冷量将下降20%～40%。而且，风冷机组将废热排入大气，使室外温度升高，还将水蒸气带入大气中，这也导致大气环境更加恶劣。
这些弊端对于地源热泵机组来讲是没有的。边智慧说，地源热泵机组改变了“换热对象”，不与大气换热，而变成与大地换热，换热对象是1.5米以下的地层，其初始温度大约等于年平均气温，一般在14～16℃左右，基本不受外界环境的影响。
而且，他表示，在换热过程中，地下换热器在夏季将多余的热量排到大地中，在冬季又将热量取回，以达到冬夏取散热量平衡，达到制冷和供暖的目的，这使得热泵无论在制冷或制热工况中均处于高效率。
边智慧也算过一笔账：冬季，投入1千瓦的电能，可以得到4千瓦左右的热能；夏季，投入1千瓦的电能，可以得到5千瓦以上的冷量。系统的高效率，压缩机的低能耗，使运行费用大幅减少，只有传统方式的2/3。
河北地下正“热”起来
河北省科学院能源研究所工程师刘伟多年来一直从事地源热泵应用研究。在他眼里，河北省气候特性和地质条件也非常适合发展使用地源热泵系统。“地源热泵技术实现了外界温度与"地能"的冷热交换，但交换必须是双向的。”他说，“地能”并不是不断产生能量，而是相当于一个能源储藏库的作用，单向取热或送热，都会逐渐让这个能源宝库失去平衡。
他认为，对于制冷需求的地区，比如南方城市，地源热泵可能并不适合。但河北省作为冬冷夏热地区，基本上所有的建筑物都有夏季制冷、冬季采暖的室内空气调节的要求，非常适合地源热泵技术的发展。
而在我省，这种利用“来自地下的能源”技术正逐步被开发利用起来。
数据显示，目前，全省11个地市都有地源热泵项目应用，其中石家庄、沧州、邢台地区应用的项目较多。其中，从2007年开始截止到目前，全省各类地源热泵项目177项，项目总节约装机容量10.3万千瓦。每年节约电量为5.1亿千瓦时，节约标煤17.3万吨，减少二氧化碳(CO2)排放42.8万吨，减少二氧化硫(SO2)排放0.4万吨，减少粉尘排放0.2万吨。
而且，地源热泵系统已经不仅仅局限在利用土壤热能了。现在，工业余热、地热尾水、污废水源等作为新的热源形式也应用在地源热泵系统中。
在去年的采暖季，中水源热泵项目就为石家庄东王商品楼等约137万平方米面积的小区进行了供热；在石家庄正定工业园区，园区利用工业园区内的工艺循环水作为热源，建立地源热泵供热站，为整个工业园区的厂房、办公楼、住宅冬季供暖，目前一期10万平方米地源热泵供热系统已经建造完毕……“地源热泵技术技术在河北省发展的总体趋势是好的。”刘伟说，河北省地源热泵行业的发展十分迅速，而我省针对地源热泵项目的补贴政策也有力推动了地源热泵技术的发展以及地源热泵项目在河北省内的推广应用。特别是从2007年开始，整个行业的发展呈爆炸式增长。目前，河北地源热泵行业，无论是在面积上，还是应用领域方面，目前均已位居国内前列。
用地下能源宝库别忘地下水
不过，也有专家顾虑水源热泵系统可能会造成对地下水的影响。“有些采用水源热泵系统的用热单位由于一味追求利益最大化，没有选择循环利用，回水系统更是糊弄了事。”这位专家说，这些行为不但污染了环境，还造成了地下水资源的日渐枯竭。一旦地源热泵地下水回灌量小于开采量，地下水大量流失，将导致地面沉降等环境问题，还可能引发地质灾害。“地能是一种环保、节能的可再生资源，但要用好这种能源，要注意的问题还有不少。”刘伟说，地源热泵技术在河北省经过几年的迅猛发展，其节能减排、方便使用的优点日渐突出，但开发利用浅层地能资源存在的问题也初见端倪。“目前，河北省浅层地能利用整体处于应用相对超前，总体支持滞后的状态。其突出矛盾可总结为"缺乏有效权威部门参加监督管理"。”
刘伟说，目前，专业研究机构、设计部门以及拥有专业资质的施工队伍、施工监理和管理商正共同协作并构成产业链，而从方案设计一直到最后运行管理环节，整个链条都需要有第三方检测机构。“只有全过程都能得到有效监管，地源热泵市场才能健康发展。”在刘伟看来，更应尽早对浅层地能资源进行系统性、针对性的调查工作，建立用于地源热泵的水文地质资料库，同时，培养专业的设计和施工人员，以及从地下地上形成完整的监管体系。
而相对采用水源的热泵，他更赞成发展土壤源热泵。“河北省人均水资源占有量不足300立方米，为全国平均值的1/7，为极度缺水省份。”刘伟说，水源热泵系统的运行需抽取地下水，但目前从实际运行情况来看，并不能保证地下水百分之百回灌，造成了严重的水资源浪费。“而河北省的平原地区是土壤源热泵系统适宜性较好的地区，非常适合这种土壤源热泵类型系统的应用。”
目前，我省地源热泵的发展计划也正是这个方向。按照计划，到2015年，全省推广浅层地能建筑利用面积3400万平方米，其中要求地埋管地源热泵系统应用面积占到90%以上，严格控制地下水、地源热泵系统的发展，只允许在部分150米以浅范围内，地下水以盐碱水为主的地区可以适度发展地下水地源热泵系统，并严格回灌措施，保证地下水的全部回灌。
冬季不烧暖气室内照样温暖如春，夏季不开传统空调屋内清凉一片……到2020年我省推广浅层地能建筑应用面积5500万平方米，推广地热梯级利用及工业余热尾水热泵建筑应用面积1500万平方米。
这种来自地下的能源，在未来的河北，将出现在更多的学校、住宅、购物中心、办公楼、商住写字楼、企业厂房、酒店、机场、医院里。
