地源熱熱泵(Ground-sourceheatpump)是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源(如電能),實(shí)現(xiàn)低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移。地源熱泵的閉合回路部分由埋于地下的長塑料管組成,該管道埋在地下與土壤耦合,管內(nèi)的流體與土壤之間進(jìn)行換熱。熱泵在閉合回路和室內(nèi)負(fù)荷之間傳遞熱量。該系統(tǒng)由閉式埋管系統(tǒng)、水源熱泵和室內(nèi)分配系統(tǒng)組成。其中分配系統(tǒng)用來對加熱和冷卻的空氣和水在房間內(nèi)進(jìn)行分配。由于較深的地層在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度,遠(yuǎn)高于冬季的室外溫度,又低于夏季的室外溫度,因此地源熱泵可以克服空氣源熱泵的技術(shù)障礙,且能效比大大提高。
地源熱泵由于其技術(shù)上的優(yōu)勢,推廣這種技術(shù)有明顯的節(jié)能和環(huán)保效益,主要具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用低。深層土地資源的溫度一年四季相對穩(wěn)定,冬季比環(huán)境空氣溫度高,夏季比環(huán)境空氣溫度低,是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源。這種溫度特性使得地源熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高約40%。
(2)一機(jī)多用,節(jié)約設(shè)備用房。地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào),還可供生活熱水,一機(jī)多用,一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置。
(3)保護(hù)環(huán)境。開發(fā)推廣地源熱泵空調(diào)技術(shù)可徹底廢除中小型燃煤鍋爐房,該裝置沒有燃燒,沒有排煙,也沒有廢棄物,沒有任何污染,不會影響城鎮(zhèn)的環(huán)境質(zhì)量。
(4)利用再生能源,可持續(xù)發(fā)展。地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源作為冷熱源,進(jìn)行能量交換的采暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地?zé)豳Y源量大面廣,無處不在,它是一種清潔的可再生能源。因此,利用地?zé)岬牡卦礋岜?是一種可持續(xù)發(fā)展的“綠色裝置”。
地源熱泵應(yīng)用概況
2.1 國外發(fā)展情況
地源熱泵系統(tǒng)由于采用的是可再生的地?zé)崮?因此被稱之為一項(xiàng)以節(jié)能和環(huán)保為特征的21世紀(jì)的技術(shù)。這項(xiàng)起始于1912年的技術(shù)(瑞士提出的一個專利,應(yīng)用始于英、美兩國),美國從1946年開始對GSHP系統(tǒng)進(jìn)行了十二個主要項(xiàng)目的研究,并在俄勒岡州的波特蘭市中心區(qū)安裝了美國第一臺地源熱泵系統(tǒng)。近十年來地源熱泵在歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國家取得了迅速的發(fā)展,已成為一項(xiàng)成熟的應(yīng)用技術(shù)。到2000年底,美國有超過40萬臺地源熱泵系統(tǒng)在家庭、學(xué)校和商業(yè)建筑中使用,每年約提供8000-11000Gwh的終端能量。地源熱源在工程上的應(yīng)用主要為地下耦合熱泵系統(tǒng)(GCHPS)和地下水熱泵系統(tǒng)(GWHPS)、地表水熱泵系統(tǒng)(SWHPS)。
2.2 國內(nèi)發(fā)展應(yīng)用情況
2.2.1 能源消費(fèi)現(xiàn)狀
到2040年,我國一次能源的總消費(fèi)量將達(dá)38.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,是現(xiàn)在能源消費(fèi)量的3倍。我國已探明的能源總體儲量、煤炭儲量約占世界儲量的11%,原油占2.4%,天然氣僅占1.2%,我國人口約占世界人口的20%,人均能源占有量不到世界平均水平的一半。我國是煤炭大國,但世界七大煤炭大國中其余六國的的儲量比都在200年以上,只有我國的儲量不足百年。石油的儲量比為四十年,并且中國石油、天然氣的平均年度值也僅為世界平均水平的57%和45%。面對如此嚴(yán)峻的能源形勢,國家總的能源政策還是節(jié)能和新能源開發(fā)、再生能源利用并重,因此,地源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用在我國具有極大的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的發(fā)展前景。
2.2.2 地源熱泵應(yīng)用情況
地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計,主要包括兩大部分:一是建筑物內(nèi)的水環(huán)路空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計;二是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的地下部分的設(shè)計,即地下耦合熱泵系統(tǒng)的地下熱交換器、地表水熱泵系統(tǒng)的地表水熱交換器、地下水熱泵系統(tǒng)的水井系統(tǒng)的設(shè)計。地下耦合熱泵系統(tǒng)最早應(yīng)用在89年10月投入運(yùn)行的上海閔行開發(fā)區(qū)辦公樓(4305m2,冷負(fù)荷4532KW,熱負(fù)荷231KW),其技術(shù)和設(shè)備均由美國提供,使用情況良好。135個深35m的垂直豎管井,埋管為聚丁烯管。國內(nèi)的大專院校均進(jìn)行了相關(guān)的垂直或水平埋地管的試驗(yàn)研究和小型的工程應(yīng)用,并建立了地埋管的傳熱模型。各地的地質(zhì)條件不同,土壤的溫度和熱物性參數(shù)都不一樣,因此,地下耦合熱泵的應(yīng)用還有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累。目前在我國來說,技術(shù)上比較成熟、利用可行性較大、實(shí)施的工程項(xiàng)目較多的還是地下水熱泵系統(tǒng)。目前國內(nèi)生產(chǎn)水源熱泵機(jī)組的廠家也已達(dá)到二、三十家。因?yàn)閲鴥?nèi)還沒有頒布水源熱泵機(jī)組的生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),國內(nèi)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量差別較大,從有些廠家的產(chǎn)品樣本來看,技術(shù)參數(shù)不完整、不準(zhǔn)確。
地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計
3.1 地源熱泵系統(tǒng)循環(huán)簡介及選擇
地源熱泵系統(tǒng)按其循環(huán)形式可分為:閉式循環(huán)系統(tǒng)、開式循環(huán)系統(tǒng)和混合循環(huán)系統(tǒng)。
3.1.1 閉式循環(huán)系統(tǒng)
封閉循環(huán)系統(tǒng)是指冷(熱)源側(cè)的循環(huán)水在機(jī)組室外換熱器與地源換熱器間形成封閉循環(huán)。管道可以通過垂直井埋入地下150-200英尺深,或水平埋入地下4-6英尺處,也可以置池塘的底部。在冬天,管中的流體從地下抽取熱量,帶入建筑物中,而在夏天則是將建筑物內(nèi)的熱能通過管道送入地下儲存;所用管道為高密度聚乙烯管或其他防腐管道作為輸送和地源熱交換器材料。大部分地源熱泵冷(熱)源側(cè)換熱系統(tǒng)是采用封閉循環(huán)。
3.1.2 開式循環(huán)系統(tǒng)
開式循環(huán)系統(tǒng)是其管道中的水來自湖泊、河流或者豎井之中的水源,在以與閉式循環(huán)相同的方式與建筑物交換熱量之后,水流回到原來的地方或者排放到其它的合適地點(diǎn)。
3.1.3 混合循環(huán)系統(tǒng)
對于混合循環(huán)系統(tǒng),地下?lián)Q熱器一般按熱負(fù)荷來計算,夏天所需的額外的冷負(fù)荷由常規(guī)的冷卻塔來提供。
3.1.4 循環(huán)系統(tǒng)選擇
閉式循環(huán)系統(tǒng)是一中比較穩(wěn)定可靠的常規(guī)循環(huán)系統(tǒng),對地下水、地下環(huán)境沒有污染,一般設(shè)計應(yīng)優(yōu)先考慮該循環(huán)系統(tǒng)。對于地下設(shè)計熱交換空間不夠充分,或垂直埋管困難等地下特殊情況,可考慮設(shè)計混合循環(huán)系統(tǒng)。
3.2 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)討論
關(guān)于(冷)熱源側(cè)水流量,要由最大得熱量和最大釋熱量確定的。埋管中水流速的選取取決于埋管循環(huán)流程長度、埋管材料、管徑大小、當(dāng)?shù)氐卦礂l件以及機(jī)組的特性要求。一般,如提高水流速度可適當(dāng)增加換熱系數(shù),強(qiáng)化換熱量,減小換熱面積和換熱管的耗材,但流速太快會增加循環(huán)水泵能量消耗。一般可取流速為0.65-1.5m/s。具體可當(dāng)?shù)貤l件進(jìn)行優(yōu)化分析與設(shè)計,其優(yōu)化設(shè)計考慮的參數(shù)關(guān)系如下。復(fù)合能耗N=f(長度LLT、埋管材料Ma、管徑D、地源溫度Te,地源熱指標(biāo)Ke,機(jī)組特性Type)在機(jī)組選擇上,設(shè)定地埋管進(jìn)水溫度,根據(jù)測井測出的進(jìn)出水溫差推算出地埋管出水溫度,進(jìn)而確定熱泵機(jī)組中工質(zhì)冬季的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度。總之,我國幅員遼闊,地處溫帶,在不同地區(qū)氣候條件差異很大,其負(fù)荷也迥然不同。因此不能照搬國外的技術(shù)成果,而要開發(fā)適合我國氣候特點(diǎn)的技術(shù)。
3.3 機(jī)組的設(shè)計
地源熱泵的形式比較多,其中商用化最為廣泛的是蒸汽壓縮式熱泵。對于戶式地源熱泵系統(tǒng),以水-水系統(tǒng)為例,由一個室外機(jī)組和多個室內(nèi)機(jī)組組成。該系統(tǒng)可以對每個空調(diào)室進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié),滿足各個空調(diào)室的要求,具有較好的節(jié)能效果。而變頻戶式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)加上獨(dú)立的新風(fēng)系統(tǒng)是一很有發(fā)展前景的理想的節(jié)能舒適型戶式中央空調(diào)系統(tǒng)。因而其優(yōu)化設(shè)計具有極其重要的價值。傳統(tǒng)的制冷系統(tǒng)設(shè)計方法是基于經(jīng)驗(yàn)加實(shí)驗(yàn)為主。通常經(jīng)驗(yàn)設(shè)計方法簡便易行,對理論知識和實(shí)驗(yàn)條件等依賴性相對較小。然而經(jīng)驗(yàn)設(shè)計方法不可避免地具有直接和可靠性低、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn),只適于產(chǎn)品的初步開發(fā)。而基于理論預(yù)測的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)可以有效。
最優(yōu)化方法就是在一切可行方案中選出最優(yōu)方案的方法。在最優(yōu)化設(shè)計中,表征方案的一切獨(dú)立變量為設(shè)計變量。最優(yōu)化方法就是研究如何合理地確定這些變量的方法。而評價方案優(yōu)劣的指標(biāo)決定于該方案所選定的設(shè)計變量,即該指標(biāo)為設(shè)計變量的函數(shù)-目標(biāo)函數(shù)。在系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中,設(shè)計變量的取值常常受到種種條件的限制,即約束條件。變頻戶式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)由變頻壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、電子膨脹閥、室內(nèi)機(jī)、制冷劑管路和水泵水管路系統(tǒng)組成。根據(jù)制冷系統(tǒng)熱力學(xué)理論,利用參數(shù)動態(tài)分布、相互關(guān)聯(lián)的方法,建立系統(tǒng)各部件數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行參數(shù)動態(tài)方程,組成系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的方程組,并對該系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)模擬。模擬系統(tǒng)的動態(tài)特性,為優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。為滿足空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能、熱舒適性及制冷制熱好的效果,空調(diào)系統(tǒng)的能效比、降(升)溫速率和降(升)溫幅度要達(dá)到指標(biāo)要求。因而在優(yōu)化設(shè)計時,分別選取能效比、降(升)溫速率和降(升)溫幅度為目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化方法。同時考慮滿足冷凝器和蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)、面積范圍、迎面風(fēng)速范圍、系統(tǒng)溫度和壓力變化范圍、水和制冷劑流量范圍、過冷過熱度范圍和室內(nèi)機(jī)數(shù)量等約束條件的要求,利用優(yōu)化方法進(jìn)行對上述目標(biāo)多目標(biāo)優(yōu)化計算,從而達(dá)到針對不同地域的地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計的目的。
3.4 地源熱泵地下?lián)Q熱器形式與布設(shè)
土壤熱交換器是地源泵機(jī)組設(shè)計的關(guān)鍵。地源熱土壤換熱器有多種形式,如水平埋管、豎直埋管等。這兩種埋管型式各有自身的特點(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境。在中國采用豎直埋管更顯示出其優(yōu)越性:節(jié)約用地面積,換熱性能好,可安裝在建筑物基礎(chǔ)、道路、綠地、廣場、操場等下面而不影響上部的使用功能,甚至可在建筑物樁基中設(shè)置埋管,見縫插針充分利用可利用的土地面積。下面就豎直埋管換熱器的設(shè)計進(jìn)行簡單的探討。
3.4.1 豎直埋管材料和深度
埋管材料最好采用塑料管,因與金屬管相比,塑料管具有耐腐蝕、易加工、傳熱性能可滿足換熱要求、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)。可供選用的管材有高密度聚乙烯管(PE管),鋁塑管等。豎直埋管的管徑也可有不同選擇,如DN20、DN25、DN32、DN50等。豎直埋管可須根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件而定,可以從20m-200m。確定深度應(yīng)綜合考慮占地面積、鉆孔設(shè)備、鉆孔成本和工程規(guī)模。如果地表土壤層很厚,鉆孔費(fèi)用相對便宜,宜采用較深的豎直埋管,反之,采用淺埋。埋管間距一般以5-6m及以上,要綜合考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)及土壤的傳熱情況。
3.4.2 豎直埋管換熱器回填、靈敏度
豎直埋管換熱器的形成是從地面向下鉆孔達(dá)到預(yù)計深度,將制作好的U型管下入孔中,然后在孔中回填不同材料。在接近地表層處用水平集水管、分水管將所有U型管并聯(lián)構(gòu)成地下?lián)Q熱器。根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同,回填材料可以選用澆鑄混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料選擇要兼顧工程造價、傳熱性能、施工方便等因素。從實(shí)際測試比較澆鑄混凝土換熱性能最好,但造價高、施工難度大,但可結(jié)合建筑物樁基一起施工。
3.4.3 豎直埋管換熱器中傳熱的衰減
豎直埋管換熱器中流動的循環(huán)水的溫度是不斷變化的。夏季供冷工況進(jìn)行時,由于蓄熱地溫提高,機(jī)組運(yùn)行時水溫不斷上升,停機(jī)時水溫又有所下降,當(dāng)建筑物得熱達(dá)到最大時水溫升至最高點(diǎn)。冬季供熱工況運(yùn)行時則相反,由于取熱地溫下降,當(dāng)建筑物失熱最多時,換熱器中水溫達(dá)到最低點(diǎn)。對于簽埋管尤其嚴(yán)重。設(shè)計時,首先應(yīng)設(shè)定換熱器埋管中循環(huán)水最高溫度和最低溫度。同時,由于埋管換熱器的表面結(jié)垢等影響,設(shè)計時要考慮衰減,設(shè)定值應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)比較選擇最佳狀態(tài)點(diǎn)。
總結(jié)：地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國是一項(xiàng)新的技術(shù),它是一項(xiàng)跨專業(yè)、跨學(xué)科的綜合能源利用技術(shù),需要通過相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的通力協(xié)作,做好勘測、設(shè)計、施工、調(diào)試等各項(xiàng)工作才能使系統(tǒng)達(dá)到要求的節(jié)能、環(huán)保性能。近幾年在全國各地已經(jīng)有大量工程投入使用,應(yīng)該積極對實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié),以其使地源熱泵這項(xiàng)利國利民的可再生能源利用技術(shù)得到健康有序的發(fā)展。
京ICP備10200025號