淺議地源熱泵系統及其勘察設計的注意事項

何宏偉 龐韶偉

淺議地源熱泵系統及其勘察設計的注意事項

何宏偉 龐韶偉

分析了地源熱泵在現今能源系統中的存在優勢及其發展前景,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計進行了簡要探討,以期促進地源熱泵系統的推廣應用。

地源熱泵,地埋管,換熱試驗

0 引言

隨著我國城市建設的發展,能源與環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平衡和人類的可持續發展。由于能源短缺以及傳統不可再生燃料使用所產生的嚴重環境污染問題,使人們探索諸如太陽能、生物質能、風能、海洋能等新能源的熱情不斷增加,地熱能作為一種具有廣闊開發前景的新能源也日益受到關注。而地源熱泵是一種既可供熱又可制冷的高效節能綠色空調系統。

1 地源熱泵工作原理及工作特點

1.1 地源熱泵技術的工作原理

地源熱泵是一種以土壤、地下水作為低溫熱源的熱泵空調技術。其原理是依靠消耗少量的電力驅動壓縮機完成制冷循環,利用土壤溫度相對穩定(不受外界氣候變化的影響)的特點,通過深埋土壤的環閉管線系統進行熱交換,夏天向地下釋放熱量,冬天向地下吸收熱量,從而實現制冷或供暖的要求(見圖 1)。完成該系統的能源循環只需要少量的電力驅動。

1.2 地源熱泵的技術特點

1)屬可再生能源利用技術。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,進行能量轉換的空調系統,是利用清潔的可再生能源的一種技術。2)高效節能,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,能量來源穩定可靠,運轉效率比常規家用空調高 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。機組利用淺層地熱能,使機組的制冷能效比 cop值高達 5以上(制熱 cop大于 3.5),遠遠大于普通風冷空調。運行費用比傳統空調節省 40%～60%。3)一機多用,應用范圍廣。機組采用獨特的熱水回收技術,夏季制冷、冬季供暖,在制冷的同時,可免費加熱生活熱水?？蓮V泛應用為寫字樓、商場、景觀、住宅、公寓、學校、體育館、醫院、工廠等場所的舒適性空調及滿足特定要求的工藝性空調。4)環保安全,占地面積小。系統運行過程中,沒有任何氣態、液態、固態污染物排放,也沒有廢熱、廢水損失。整個系統全封閉循環,不會造成對土壤和地下水的污染,可實現使用區域零污染。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)系統穩定,壽命長。土壤溫度相對恒定,使得機組能在一個穩定的工況下工作,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,避免風吹雨淋;機組采用熱回收技術后,負荷減小,使用壽命亦相應延長。

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：建設場地位于天津市靜?？h管鋪頭村東南。擬建物為1層～3層的連排商業樓,建筑物擬采用豎直地埋管地源熱泵空調系統,換熱系統供給建筑面積為 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系統,為此特意進行了埋地換熱器的地下換熱特性實驗。為進一步的地源熱泵系統優化設計與節能運行提供必要的數據依據。

2.2.2 測試原理

埋地換熱器的地下換熱響應特性實驗在理論上可以歸結為在一定熱流邊界條件下的非穩態傳熱問題。其數學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學模型。

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兩部分組成,圖 2給出了主機部分的結構原理圖。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,并且通過地下換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據的有效性。

2.3 室內試驗分析

根據本工程有關勘察報告中的 2個勘探孔巖土柱狀圖及室內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粘土為主,基本處于飽和狀態,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差別不大。

2.4 現場換熱試驗

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日結束。

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

2.4.2 土壤換熱量及導熱系數

表1進一步匯總了 1號換熱孔的地下換熱實驗結果?？梢钥闯?對于取熱工況,隨著進口溫度的減小,地下換熱量呈逐漸增大趨勢;對于排熱工況,隨著進口溫度的增加,地下換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 換熱孔地下換熱特性實驗結果一覽表

2.5 試驗誤差分析

總結以上測試成果,室內試驗結果：1號取樣孔平均導熱系數1.65W/(mK);2號取樣孔平均導熱系數 1.58W/(mK);現場熱響應測試結果：1號換熱孔平均導熱系數 1.53W/(m℃),2號換熱孔平均導熱系數 1.49W/(m℃)。兩孔現場熱響應測試結果比室內試驗結果分別偏小 8%和 6%。

產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,造成水分蒸發損失;運輸過程中,可能產生振動;實驗室中人為操作,可能產生分析誤差;現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 結語

1)地源熱泵系統具有效率高、節能、環保等優點,在現今能源緊缺的年代應用前景相當廣泛。針對地源熱泵系統的勘察設計工作應以巖土平均導熱系數為主要設計參數,并充分考慮建筑的實際空調負荷特性,進行有效的系統長期運行可靠性分析。2)現場勘察是設計環節的第一步。在決定使用地源熱泵系統之前,應對現場情況、地質資料進行準確詳實的勘察與調研。這些資料是系統設計的基礎。3)地質狀況決定使用何種鉆孔、挖掘設備或安裝成本的高低。應基于測試孔的勘測情況或當地地質狀況對施工現場的適應性做出評估。4)在設計、布置埋地換熱器管群時,應充分考慮換熱量的動態變化規律,合理選擇熱泵機組、匹配循環水泵,以保證系統的節能運行效果。

[1]劉國林.建筑物自動化系統[M].北京：機械工業出版社,2002.

[2]馬最良,呂 悅.地源熱泵系統設計與應用[M].北京：機械工業出版社,2006.

[3]劉恩海,趙立影.土壤源熱泵的應用現狀與展望[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,天津市地質工程勘察院,天津 300191

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

book=3,ebook=147