淺議地源熱泵系統(tǒng)及其勘察設(shè)計的注意事項

何宏偉 龐韶偉

淺議地源熱泵系統(tǒng)及其勘察設(shè)計的注意事項

何宏偉 龐韶偉

分析了地源熱泵在現(xiàn)今能源系統(tǒng)中的存在優(yōu)勢及其發(fā)展前景,簡要介紹了地源熱泵的原理、特點及組成,并對地源熱泵的勘察設(shè)計進行了簡要探討,以期促進地源熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

地源熱泵,地埋管,換熱試驗

0 引言

隨著我國城市建設(shè)的發(fā)展,能源與環(huán)境問題成為人類迫切需要解決的大問題,它直接影響到全球生態(tài)平衡和人類的可持續(xù)發(fā)展。由于能源短缺以及傳統(tǒng)不可再生燃料使用所產(chǎn)生的嚴重環(huán)境污染問題,使人們探索諸如太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能等新能源的熱情不斷增加,地?zé)崮茏鳛橐环N具有廣闊開發(fā)前景的新能源也日益受到關(guān)注。而地源熱泵是一種既可供熱又可制冷的高效節(jié)能綠色空調(diào)系統(tǒng)。

1 地源熱泵工作原理及工作特點

1.1 地源熱泵技術(shù)的工作原理

地源熱泵是一種以土壤、地下水作為低溫?zé)嵩吹臒岜每照{(diào)技術(shù)。其原理是依靠消耗少量的電力驅(qū)動壓縮機完成制冷循環(huán),利用土壤溫度相對穩(wěn)定(不受外界氣候變化的影響)的特點,通過深埋土壤的環(huán)閉管線系統(tǒng)進行熱交換,夏天向地下釋放熱量,冬天向地下吸收熱量,從而實現(xiàn)制冷或供暖的要求(見圖 1)。完成該系統(tǒng)的能源循環(huán)只需要少量的電力驅(qū)動。

1.2 地源熱泵的技術(shù)特點

1)屬可再生能源利用技術(shù)。地源熱泵是利用地球水體或土壤所儲藏的太陽能資源作為冷熱源,進行能量轉(zhuǎn)換的空調(diào)系統(tǒng),是利用清潔的可再生能源的一種技術(shù)。2)高效節(jié)能,運行費用低。以地表水、淺層地下水以及土壤等低品位熱量為冷熱源,能量來源穩(wěn)定可靠,運轉(zhuǎn)效率比常規(guī)家用空調(diào)高 40%以上,投入1 kW電能可以平均獲得 4.0 kW以上的冷量或熱量。機組利用淺層地?zé)崮?使機組的制冷能效比 cop值高達 5以上(制熱 cop大于 3.5),遠遠大于普通風(fēng)冷空調(diào)。運行費用比傳統(tǒng)空調(diào)節(jié)省 40%～60%。3)一機多用,應(yīng)用范圍廣。機組采用獨特的熱水回收技術(shù),夏季制冷、冬季供暖,在制冷的同時,可免費加熱生活熱水。可廣泛應(yīng)用為寫字樓、商場、景觀、住宅、公寓、學(xué)校、體育館、醫(yī)院、工廠等場所的舒適性空調(diào)及滿足特定要求的工藝性空調(diào)。4)環(huán)保安全,占地面積小。系統(tǒng)運行過程中,沒有任何氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)污染物排放,也沒有廢熱、廢水損失。整個系統(tǒng)全封閉循環(huán),不會造成對土壤和地下水的污染,可實現(xiàn)使用區(qū)域零污染。機組體積小,且省去冷卻塔和鍋爐,機房面積小,可以充分利用樓梯間的空間安裝。5)系統(tǒng)穩(wěn)定,壽命長。土壤溫度相對恒定,使得機組能在一個穩(wěn)定的工況下工作,因此機組不存在除霜問題,減少了機組頻繁啟停;機組安裝在室內(nèi),避免風(fēng)吹雨淋;機組采用熱回收技術(shù)后,負荷減小,使用壽命亦相應(yīng)延長。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

天津團泊新城奧特萊斯項目：建設(shè)場地位于天津市靜海縣管鋪頭村東南。擬建物為1層～3層的連排商業(yè)樓,建筑物擬采用豎直地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng),換熱系統(tǒng)供給建筑面積為 33 000m2,豎直地埋管擬采用雙 U管,孔徑 260mm,深度 100m。

2.2 垂直地埋管換熱試驗

2.2.1 測試目的及原理

本工程擬采用豎直地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng),為此特意進行了埋地換熱器的地下?lián)Q熱特性實驗。為進一步的地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與節(jié)能運行提供必要的數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.2.2 測試原理

埋地換熱器的地下?lián)Q熱響應(yīng)特性實驗在理論上可以歸結(jié)為在一定熱流邊界條件下的非穩(wěn)態(tài)傳熱問題。其數(shù)學(xué)解析主要有兩種模型：1)基于線熱源理論的線模型;2)基于圓柱熱源理論的柱模型。與線熱源模型相比,圓柱熱源模型更加能夠準確反映埋地換熱器與周圍巖土的真實換熱狀況,可充分考慮回填影響、不均勻熱流、熱短路等諸多因素。因此,本實驗采用了柱熱源數(shù)學(xué)模型。

2.2.3 測試裝置簡介

本次測試裝置主要由控制主機和測量系統(tǒng)兩部分組成,圖 2給出了主機部分的結(jié)構(gòu)原理圖。在實驗過程中,先后測定埋地換熱器的取熱能力和排熱能力,并且通過地下?lián)Q熱量隨流體平均溫度的線性變化的擬合方程來確定測試數(shù)據(jù)的有效性。

2.3 室內(nèi)試驗分析

根據(jù)本工程有關(guān)勘察報告中的 2個勘探孔巖土柱狀圖及室內(nèi)土工試驗報告可以看出,測試地點的淺層巖土以粉砂和粉質(zhì)粘土為主,基本處于飽和狀態(tài),計算得到平均自然密度分別為 2 030 kg/m3和 2 021 kg/m3,平均含水量分別為 23.6%和 24.2%,這說明兩孔附近的巖土物理性質(zhì)差別不大。

2.4 現(xiàn)場換熱試驗

2.4.1 換熱試驗過程

本次換熱試驗對每個換熱孔實施 2組取熱和 2組排熱工況試驗,并在2號換熱孔中測量土壤初始溫度。試驗時間為 2010年7月 14日開始,至 2010年 7月 23日結(jié)束。

1)取熱工況過程：通過控制裝置,將系統(tǒng)設(shè)成取熱實驗,熱響應(yīng)測試儀的冷卻裝置開始工作,將水箱里的水冷卻到設(shè)定的溫度,然后通過循環(huán)泵,送入到地埋管回路,經(jīng)過一周循環(huán),再回到水箱。2)排熱工況過程：通過控制裝置,將系統(tǒng)設(shè)成放熱實驗,熱響應(yīng)測試儀的加熱裝置開始工作,將水箱里的水加熱到設(shè)定的溫度,然后通過循環(huán)泵,送入到地埋管回路,經(jīng)過一周循環(huán),再回到水箱。

2.4.2 土壤換熱量及導(dǎo)熱系數(shù)

表1進一步匯總了 1號換熱孔的地下?lián)Q熱實驗結(jié)果。可以看出,對于取熱工況,隨著進口溫度的減小,地下?lián)Q熱量呈逐漸增大趨勢;對于排熱工況,隨著進口溫度的增加,地下?lián)Q熱量呈逐漸增大趨勢。這里,“+/-”符號代表傳熱的方向,其中“-”代表由土壤向埋管傳熱,“+”代表由埋管向土壤傳熱。

表1 換熱孔地下?lián)Q熱特性實驗結(jié)果一覽表

2.5 試驗誤差分析

總結(jié)以上測試成果,室內(nèi)試驗結(jié)果：1號取樣孔平均導(dǎo)熱系數(shù)1.65W/(mK);2號取樣孔平均導(dǎo)熱系數(shù) 1.58W/(mK);現(xiàn)場熱響應(yīng)測試結(jié)果：1號換熱孔平均導(dǎo)熱系數(shù) 1.53W/(m℃),2號換熱孔平均導(dǎo)熱系數(shù) 1.49W/(m℃)。兩孔現(xiàn)場熱響應(yīng)測試結(jié)果比室內(nèi)試驗結(jié)果分別偏小 8%和 6%。

產(chǎn)生上述偏差的因素主要包括鉆孔取樣、封裝及運輸過程中引起的土樣物性變化,實驗室分析誤差,現(xiàn)場試驗效果和模型誤差等。鉆孔取樣時,可能存在擾動;封裝過程中,可能密封不嚴,造成水分蒸發(fā)損失;運輸過程中,可能產(chǎn)生振動;實驗室中人為操作,可能產(chǎn)生分析誤差;現(xiàn)場試驗也存在眾多影響因素;計算方法和模型選擇不同,也存在一定的誤差。

3 結(jié)語

1)地源熱泵系統(tǒng)具有效率高、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點,在現(xiàn)今能源緊缺的年代應(yīng)用前景相當廣泛。針對地源熱泵系統(tǒng)的勘察設(shè)計工作應(yīng)以巖土平均導(dǎo)熱系數(shù)為主要設(shè)計參數(shù),并充分考慮建筑的實際空調(diào)負荷特性,進行有效的系統(tǒng)長期運行可靠性分析。2)現(xiàn)場勘察是設(shè)計環(huán)節(jié)的第一步。在決定使用地源熱泵系統(tǒng)之前,應(yīng)對現(xiàn)場情況、地質(zhì)資料進行準確詳實的勘察與調(diào)研。這些資料是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。3)地質(zhì)狀況決定使用何種鉆孔、挖掘設(shè)備或安裝成本的高低。應(yīng)基于測試孔的勘測情況或當?shù)氐刭|(zhì)狀況對施工現(xiàn)場的適應(yīng)性做出評估。4)在設(shè)計、布置埋地換熱器管群時,應(yīng)充分考慮換熱量的動態(tài)變化規(guī)律,合理選擇熱泵機組、匹配循環(huán)水泵,以保證系統(tǒng)的節(jié)能運行效果。

[1]劉國林.建筑物自動化系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2002.

[2]馬最良,呂 悅.地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社,2006.

[3]劉恩海,趙立影.土壤源熱泵的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].山西建筑,2009,35(4)：208-209.

Tentative discussion on the attention of ground-source heat pum p system and its inspection design

HE Hong-wei PANG Shao-w ei

This paper analyzes the advantages and development prospects of ground-source heat pump in modern source system,briefly introduces the principle,features,and composition ofground-source heatpump,and discusses its inspection design,with a view to promote theapp lication of ground-source heat pump system.

ground-source heat pump,ground heatexchangers,heat transformation test

TU832

A

1009-6825(2011)03-0122-03

2010-09-21

何宏偉(1975-),男,工程師,天津市地質(zhì)工程勘察院,天津 300191

龐韶偉(1970-),男,高級工程師,天津市地質(zhì)工程勘察院,天津 300191

book=3,ebook=147