孫友宏,仲崇梅,王慶華

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130026;2.教育部地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)工程研究中心,吉林長(zhǎng)春130026;3.長(zhǎng)春工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130026）

中國(guó)地源熱泵技術(shù)應(yīng)用及進(jìn)展

孫友宏1,2,仲崇梅1,3,王慶華1,2

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130026;2.教育部地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)工程研究中心,吉林長(zhǎng)春130026;3.長(zhǎng)春工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130026）

地源熱泵技術(shù)在中國(guó)應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng),但推廣應(yīng)用速度非?？?幾乎以每年20%以上的速度增長(zhǎng),尤其在上海世博場(chǎng)館中大面積推廣,取得了很好的節(jié)能效果。隨著該技術(shù)的推廣應(yīng)用和深入研究,我國(guó)已掌握了地源熱泵的全套技術(shù),并在淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范、鉆孔熱反應(yīng)測(cè)試技術(shù)、高效地下熱交換井以及太陽(yáng)能與地源熱泵技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用等方面都取得了一些新進(jìn)展,這些成果的取得將為實(shí)現(xiàn)我國(guó)2050年的節(jié)能減排目標(biāo)提供技術(shù)保障。

地源熱泵;熱物性;換熱井;回填材料;太陽(yáng)能

0 引言

淺層地?zé)崮?shallow geother mal energy）是指地表以下一定深度范圍內(nèi)(一般為恒溫帶至200 m埋深）,溫度低于25℃,在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下具備開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的地球內(nèi)部的熱能資源。該能源具有分布范圍廣、儲(chǔ)量巨大、開(kāi)采成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前,開(kāi)采淺層地?zé)崮茏钣行У姆椒ㄊ堑卦礋岜眉夹g(shù),該技術(shù)主要利用地下地層溫度變化較小和蓄能的特點(diǎn),夏天通過(guò)熱泵機(jī)組向地下存儲(chǔ)熱量,同時(shí)提取冷能;冬天向地下提取熱能,同時(shí)存儲(chǔ)冷能,從而對(duì)室內(nèi)進(jìn)行夏天制冷和冬天供暖。該技術(shù)是一種先進(jìn)的開(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)豳Y源的新技術(shù),具有節(jié)能、環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn),科學(xué)家將其列為21世紀(jì)最有應(yīng)用前景的50項(xiàng)新技術(shù)之一。地源熱泵技術(shù)自上世紀(jì)90年代初在我國(guó)開(kāi)始示范應(yīng)用以來(lái),應(yīng)用時(shí)間并不長(zhǎng),但推廣速度非?？?幾乎以20%以上的速度推廣,根據(jù)推廣使用中出現(xiàn)的問(wèn)題,不斷進(jìn)行研發(fā)、總結(jié)和改進(jìn),取得了一些新的技術(shù)進(jìn)展。

1 中國(guó)地源熱泵技術(shù)應(yīng)用

目前,我國(guó)每年使用地源熱泵系統(tǒng)的項(xiàng)目已超過(guò)2000個(gè),建筑面積近8000萬(wàn)m2。其中,北京市的地源熱泵項(xiàng)目已達(dá)700多個(gè),建筑面積達(dá)1800萬(wàn)m2;河北省達(dá)到920萬(wàn)m2;遼寧省沈陽(yáng)市達(dá)到3400萬(wàn)m2[1]。另外,山東、天津、甘肅、江蘇、內(nèi)蒙古、吉林、江西等省(市、區(qū)）采用地源熱泵為城市建筑供暖和制冷的面積迅速增加。資料顯示,2005年我國(guó)地源熱泵應(yīng)用面積為3000萬(wàn)m2,2007年應(yīng)用面積達(dá)到7000萬(wàn)m2,而地源熱泵系統(tǒng)在城市示范工程中的單體規(guī)模已達(dá)80萬(wàn)m2。2008年,我國(guó)熱泵行業(yè)的年銷(xiāo)售額超過(guò)50億元,并連續(xù)多年實(shí)現(xiàn)20%以上的持續(xù)增長(zhǎng),僅2008年我國(guó)使用該技術(shù),實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排1987萬(wàn)噸[2]。如圖1所示,預(yù)計(jì)到2020年,全國(guó)利用地源熱泵供暖和制冷面積將達(dá)到2億m2,到2030年預(yù)計(jì)為4億m2,到2050年將達(dá)到10億m2。

圖1 中國(guó)地源熱泵技術(shù)應(yīng)用面積增長(zhǎng)趨勢(shì)

2010年上海世博場(chǎng)館和2008年的北京奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)館為我國(guó)地源熱泵技術(shù)應(yīng)用最成功的典型。2010年上海世博會(huì)主題是“城市,讓生活更美好”,為體現(xiàn)世博會(huì)節(jié)能環(huán)保的理念,在世博能源規(guī)劃中,夏季供冷系統(tǒng)優(yōu)化集成了江水源熱泵、水(冰）蓄冷技術(shù)和地源熱泵技術(shù),冬季供熱則集成了江水源熱泵和天然氣鍋爐的技術(shù)組合。世博場(chǎng)館采用熱泵技術(shù)的總建筑面積達(dá)86.8萬(wàn)m2,其中,世博軸采用了江水源熱泵與地源熱泵技術(shù),建筑面積為24.8萬(wàn)m2;世博中心采用了江水源熱泵與冰/水蓄冷技術(shù),建筑面積為14萬(wàn)m2;世博演藝中心采用了江水源熱泵與冰蓄冷技術(shù),建筑面積為8萬(wàn)m2;浦西新能源中心采用了江水源熱泵技術(shù),建筑面積為40萬(wàn)m2。

“世博軸”位于黃浦江邊,地下地上各2層,占地面積13.6萬(wàn)m2,總建筑面積24.8萬(wàn)m2,是世博園區(qū)最大的單體項(xiàng)目和世博園區(qū)的標(biāo)志性建筑之一,也是世博會(huì)的入園主通道與核心區(qū)域。該建筑的空調(diào)系統(tǒng)由同濟(jì)大學(xué)和南京豐盛新能源科技股份有限公司作為技術(shù)支持和承建單位,采用了江水源熱泵結(jié)合土壤源熱泵的復(fù)合系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)空調(diào)冷熱源100%采用可再生能源。該空調(diào)系統(tǒng)中江水源熱泵承擔(dān)2/3負(fù)荷,土壤源熱泵承擔(dān)1/3負(fù)荷。江水源熱泵系統(tǒng)采用3臺(tái)1000冷噸的單冷離心機(jī)組,土壤源熱泵系統(tǒng)采用了5臺(tái)350冷噸螺桿機(jī)組,總裝機(jī)容量4750冷噸。經(jīng)過(guò)測(cè)算,每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用約530萬(wàn)元,節(jié)能率約40%,可節(jié)電約660萬(wàn)kWh,相當(dāng)于節(jié)約煤炭2640 t,節(jié)水26400 t,減少5440 t二氧化碳的排放量。土壤源熱泵根據(jù)項(xiàng)目所在地的巖土熱物性實(shí)驗(yàn)結(jié)果,因地制宜的利用了6000根建筑樁基布置土壤換熱器形成能源樁,這一技術(shù)創(chuàng)新性的將建筑樁基與空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái),節(jié)省了投資和土地,達(dá)到了運(yùn)行高效節(jié)能[3]。

2 淺層地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià)

淺層地?zé)崮艿恼{(diào)查評(píng)價(jià)是地源熱泵技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ),為規(guī)范淺層地?zé)崮艿目辈榕c評(píng)價(jià),2009年7月29日,國(guó)土資源部發(fā)布了《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》[4],并于7月31日開(kāi)始實(shí)施。作為行業(yè)規(guī)范,這一舉措有效促進(jìn)了淺層地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用。該規(guī)范規(guī)定了淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)的目的任務(wù)、基本工作內(nèi)容、勘查工程控制程度、勘查質(zhì)量要求、淺層地?zé)崮苜Y源計(jì)算與評(píng)價(jià)、淺層地?zé)崃黧w質(zhì)量評(píng)價(jià)、淺層地?zé)崮芾玫沫h(huán)境評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià),以及勘查資料整理和報(bào)告編寫(xiě)等基本要求。該規(guī)范適用于區(qū)域和地源熱泵工程淺層地?zé)崮艿目辈?、資源評(píng)價(jià)、報(bào)告驗(yàn)收以及資源/儲(chǔ)量登記統(tǒng)計(jì),可以作為區(qū)域淺層地?zé)崮苷{(diào)查設(shè)計(jì)書(shū)編制、工作布置、資源評(píng)價(jià)、報(bào)告編寫(xiě)和審批的依據(jù),同時(shí)也作為地源熱泵工程的淺層地?zé)崮芸辈?、資源評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)利用的依據(jù)。

3 鉆孔熱反應(yīng)測(cè)試技術(shù)

鉆孔熱反應(yīng)測(cè)試技術(shù),也成為地層熱物性現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試技術(shù),該技術(shù)對(duì)于正確合理經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)是一種行之有效的方法,對(duì)于較大的地源熱泵系統(tǒng)工程,顯得尤為必要。地層熱物性主要包括地層導(dǎo)熱系數(shù)和鉆孔熱阻,是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的2個(gè)主要參數(shù)。對(duì)于地層熱物性的確定,IG2 SHP(國(guó)際地源熱泵協(xié)會(huì)）推薦2種方法,一種是對(duì)于水平埋管熱泵系統(tǒng),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取出的巖樣在實(shí)驗(yàn)室直接測(cè)定,或查有關(guān)手冊(cè)確定導(dǎo)熱系數(shù);另一種是對(duì)于大型的垂直埋管熱泵系統(tǒng),需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地層熱物性原位測(cè)試,即鉆孔熱反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

3.1 測(cè)試原理

該技術(shù)測(cè)試原理如圖2所示,首先,在將要埋設(shè)地下?lián)Q熱器的現(xiàn)場(chǎng)施工測(cè)試井,井深與實(shí)際工程井深相同,井中埋設(shè)熱交換管并按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行回填;然后,進(jìn)行井內(nèi)原始溫度測(cè)量,通過(guò)測(cè)量埋管內(nèi)回流到測(cè)試儀內(nèi)的初始水溫來(lái)確定;最后,啟動(dòng)測(cè)試儀所配備的熱泵機(jī)組,利用數(shù)據(jù)采集模塊連續(xù)測(cè)定地下埋管換熱器的進(jìn)出水溫度T1和T2,根據(jù)測(cè)得的溫度數(shù)據(jù),利用傳熱模型反推鉆孔周?chē)鷰r土的平均熱物性參數(shù)。由于實(shí)驗(yàn)室取的巖樣的水份、溫度和壓力等測(cè)試環(huán)境與地下發(fā)生較大的變化,故測(cè)得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)值相差較大。采用現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試,可以直接得到較準(zhǔn)的鉆孔的地層平均導(dǎo)熱系數(shù)和鉆孔的熱阻[5]。

3.2 測(cè)試儀器

圖2 地層熱物性原位測(cè)量方法示意圖

國(guó)內(nèi)一些研究單位和大學(xué)也對(duì)地層熱物性原位測(cè)試進(jìn)行了大量的研究,如北京華清公司、山東建工學(xué)院地源熱泵研究所、北京工業(yè)大學(xué)和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)都研制了測(cè)試土壤熱物性參數(shù)的設(shè)備。2007年,吉林大學(xué)在國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助的基礎(chǔ)上,研制成功了BTR-600型地層熱物性測(cè)試儀。該測(cè)試儀外形如圖3所示,經(jīng)北京、河北、天津和吉林等十多項(xiàng)工程應(yīng)用,取得了很好的效果。

圖3 BTR-600型鉆孔熱反應(yīng)測(cè)試儀

該測(cè)試儀主要是由水泵、熱泵、電動(dòng)三通分流閥、冷凝器、加熱器、補(bǔ)水水箱、溫度傳感器、壓力傳感器、電磁流量計(jì)等構(gòu)成。其主要技術(shù)指標(biāo)如下:

(1）溫度:采用鉑電阻溫度傳感器,量程為-20℃～60℃,輸出4～20 mA電流信號(hào),精度為A級(jí)。

(2）壓力:采用壓力變送器,量程為0～0.6 MPa,輸出4～20 mA電流信號(hào),誤差≤±0.2%。

(3）流量:采用電磁流量計(jì),量程為0～3.5 m3/ h,輸出4～20 mA電流信號(hào),誤差≤±0.2%。

該測(cè)試儀具有以下特點(diǎn):

(1）為車(chē)載式的測(cè)試設(shè)備,可以方便地運(yùn)達(dá)到不同測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。

(2）有3種工作狀態(tài),可以自由切換各狀態(tài)以適應(yīng)不同工況:狀態(tài)Ⅰ為只使用電加熱器;狀態(tài)Ⅱ?yàn)闊岜门c電加熱器聯(lián)合工作;狀態(tài)Ⅲ為熱泵與電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥聯(lián)合工作。

(3）不僅可以進(jìn)行儲(chǔ)熱工況下的測(cè)試,也可以進(jìn)行取熱工況下的測(cè)試。

(4）在使用熱泵時(shí),采用電加熱器或電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥進(jìn)行輔助調(diào)節(jié),保證輸入或提取的熱量恒定,以便更好的直接利用線源模型和柱源模型來(lái)分析計(jì)算土壤的熱物性參數(shù)。

4 高效地下熱交換井技術(shù)

影響地下?lián)Q熱井高效換熱的主要因素是地下?lián)Q熱器的類(lèi)型和回填材料的性能。90年代以來(lái),國(guó)際上地源熱泵技術(shù)的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)主要集中在地下?lián)Q熱井技術(shù)方面,包括地下?lián)Q熱器的換熱機(jī)理、強(qiáng)化換熱及熱泵系統(tǒng)與埋地?fù)Q熱器匹配等方面。

4.1 地下?lián)Q熱器的類(lèi)型

如圖4所示,地下?lián)Q熱器形式分為單U型、雙U型、1+2型和套管型4種[6]。U型地下?lián)Q熱器是目前常用的換熱器,包括單U和雙U型。U型管管徑一般在50 mm以?xún)?nèi),鉆孔深度一般20～200 m,換熱指標(biāo)一般在20～50 W/m(孔深）。雖然雙U型換熱器比單U型換熱器每冷噸需要更多的管道,但是,因少鉆井而節(jié)省的費(fèi)用完全可以補(bǔ)償管道數(shù)量加倍導(dǎo)致的費(fèi)用增加[7]。由于U型管自身進(jìn)出管之間溫度場(chǎng)相互影響,存在較嚴(yán)重的熱短路,對(duì)換熱效果影響較大。為此,2004年,吉林大學(xué)研發(fā)了同軸套管換熱器,如圖5所示,主要由外管、夾層套管和內(nèi)管組成。同軸套管式換熱器外管可采用無(wú)縫鋼管、聚丁烯或聚乙烯管,外管直徑可達(dá)200 mm;內(nèi)管采用聚丁烯或聚乙烯管;在內(nèi)管和夾層套管間充空氣,可防止熱短路。其工作原理是:換熱器的循環(huán)工作介質(zhì)從外管和夾層套管之間注入,冬季供暖時(shí),低于地層溫度的工作介質(zhì),在向下流動(dòng)的同時(shí),通過(guò)外管與地層間進(jìn)行熱交換,使得工作介質(zhì)不斷升溫,到達(dá)孔底后從內(nèi)管回到地面熱泵中進(jìn)行放熱;制冷時(shí),高于地層溫度的工作介質(zhì)在地下循環(huán)時(shí)進(jìn)行降溫,再?gòu)膬?nèi)管回到地面熱泵中。在相同條件下,同軸換熱裝置的熱提取效率要好于U型管裝置,但造價(jià)高。其優(yōu)點(diǎn)主要是增大換熱面積,可減少鉆孔數(shù)和埋深。

圖4 地下?lián)Q熱器形式示意圖

圖5 同軸式套管換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

同軸套管外管也可全部采用HDPE管進(jìn)行加工,通過(guò)內(nèi)襯電阻絲加熱法熔接HDPE管,將管箍與管材形成一體,由于增加了過(guò)渡處的厚度,接頭處的強(qiáng)度反而增大,從而保證了套管的強(qiáng)度。施工時(shí)采用邊下管邊熔接的方法,具體施工方案如下:首先將內(nèi)管與管箍熱熔聯(lián)接,管箍間隔2 m,然后將夾層套管與管箍聯(lián)接,等熔接處冷卻后,將已聯(lián)接好的內(nèi)管送入夾層套管內(nèi)。為了保證內(nèi)管與夾層套管間形成空氣夾層,必須將兩端部進(jìn)行密封處理。經(jīng)試壓后,方可下管。由于外管較粗,不易彎曲,本實(shí)驗(yàn)首先采用熔接法密封孔底外管端部,邊下管邊熔接。通過(guò)100 m深的同軸套管換熱器實(shí)踐證明,該方法簡(jiǎn)便易行,可以在工程中推廣使用。

4.2 高導(dǎo)熱的回填材料

回填材料是換熱器和周?chē)貙又g的熱交換介質(zhì),優(yōu)化灌注材料的導(dǎo)熱性能可以提高熱泵系統(tǒng)的COP、減少初期安裝成本。細(xì)粒狀的膨潤(rùn)土-水混合物普遍的用作直埋式換熱器的回填材料。然而這種材料的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低,一般在0.65～0.90 W/m·K。另外,膨潤(rùn)土回填材料還會(huì)收縮,失水也比較嚴(yán)重。這種回填材料在地層比較干燥的條件下不穩(wěn)定,以及由于隨著失水而引起導(dǎo)熱性能下降而對(duì)換熱器性能帶來(lái)負(fù)面影響。

2005年,為了提高回填材料的導(dǎo)熱性能,我們采用2種途徑:一是在回填材料中選擇具有高導(dǎo)熱系數(shù)的骨料;二是采用高效減水劑減少回填材料中的水分。試驗(yàn)中采用通過(guò)控制回填材料的W/C比、骨料物質(zhì)等手段得出相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果。為了得出一些理論數(shù)據(jù),并基于以上原則,我們采用的試驗(yàn)方案如下:

(1）純水泥混合物。通過(guò)控制水灰比得到相應(yīng)的結(jié)論。選擇的水灰比為0.4、0.6、0.8。得到含水量對(duì)傳熱性能的影響。

(2）膨潤(rùn)土+水泥+水(MixI）。關(guān)于這種配方可以通過(guò)水∶(膨潤(rùn)土+水泥）,即W/C來(lái)分析其對(duì)導(dǎo)熱性能的影響。

(3）膨潤(rùn)土+水泥+粉煤灰(MixII）。粉煤灰的化學(xué)組成類(lèi)似于粘土的化學(xué)成分,主要包括S iO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和未燃盡炭。在水泥中摻入粉煤灰,可以降低水泥的用水量,這是粉煤灰的一個(gè)明顯的優(yōu)越性。粉煤灰中的光滑顆粒均勻的分散在水泥微顆粒之間,能有效地減少吸水性和內(nèi)摩擦;由于粉煤灰密度較小,加入后使混合物的膠凝含量增加,漿骨比隨之增大,因而流動(dòng)性好,有利于泵送,提高了其和易性。實(shí)驗(yàn)從MixI中選取一種導(dǎo)熱性能良好的配方,加入不同的粉煤灰測(cè)其導(dǎo)熱性能。

(4）膨潤(rùn)土+水泥+硅砂(MixIII）。硅砂中S iO2的含量高,可以達(dá)到98%,而硅砂的導(dǎo)熱率很高,比一般的水泥、膨潤(rùn)土都高,所以想通過(guò)提高骨料的導(dǎo)熱性來(lái)提高混合物的傳熱性能。

通過(guò)試驗(yàn)研究,經(jīng)過(guò)分析得出,在膨潤(rùn)土中加入砂子或水泥都能提高回填泥漿材料的導(dǎo)熱系數(shù),隨含砂量的增加,其導(dǎo)熱系數(shù)也增加,但考慮含砂量過(guò)大后,增加泵的注漿難度,故其含砂量控制在10%～30%之間,以此作為回填材料的最佳配方[8]。實(shí)驗(yàn)證明,熱交換性能良好的物質(zhì)或混合物質(zhì)作為填充材料,可以提高熱泵系統(tǒng)的熱利用效率,減少埋管長(zhǎng)度,降低安裝成本,節(jié)約能源。

5 地源熱泵與太陽(yáng)能聯(lián)合技術(shù)

地源熱泵系統(tǒng)依靠地埋管換熱器從地層中提取能量,熱泵機(jī)組的熱源都是一定擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)的土壤。由于地埋管換熱器冬夏兩季累計(jì)向土壤的放熱量與取熱量并不一定相等,這樣就會(huì)造成地下土壤的冷熱失衡,取放熱量不平衡逐年堆積就會(huì)超過(guò)土壤自身恢復(fù)能力,造成其溫度不斷偏離初始溫度,并導(dǎo)致冷卻水溫度隨之變化和系統(tǒng)運(yùn)行效率逐年下降[9]。對(duì)于寒冷地區(qū)使用地源熱泵系統(tǒng),這種現(xiàn)象尤為突出,由于冬季的供熱需求遠(yuǎn)大于夏季的制冷要求,因而冬季從地下提取的熱量和夏季灌入地下的熱量顯著不平衡,這就會(huì)導(dǎo)致地下?lián)Q熱器周?chē)耐寥罍囟戎鹉杲档?換熱效率也會(huì)逐年下降,將有可能不滿(mǎn)足室內(nèi)的供暖需求。對(duì)這種地層熱不平衡問(wèn)題,利用太陽(yáng)能等其他能源作為輔助供熱或者進(jìn)行地下儲(chǔ)能,可大幅度提高地源熱泵系統(tǒng)的效率。

如圖6所示,2006年,吉林大學(xué)在已建立的地源熱泵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上,通過(guò)安裝聚焦式同步跟蹤太陽(yáng)能集熱器,建立了聯(lián)合供暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[10],并針對(duì)該系統(tǒng)配備了整套的自動(dòng)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在對(duì)地源熱泵系統(tǒng)模型研究的基礎(chǔ)上,利用機(jī)理建模方法建立起整個(gè)聯(lián)合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。針對(duì)中國(guó)北方的氣候特點(diǎn),在系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)上對(duì)聯(lián)合系統(tǒng)中地源熱泵和太陽(yáng)能集熱器的設(shè)計(jì)供熱負(fù)荷分配比例、運(yùn)行模式及循環(huán)介質(zhì)流速設(shè)定等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析。該研究為供暖為主的北方寒冷地區(qū)地源熱泵及太陽(yáng)能集熱器聯(lián)合系統(tǒng)提供了研究基礎(chǔ),對(duì)推廣地?zé)崮芎吞?yáng)能的綜合利用具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

圖6 地源熱泵與太陽(yáng)能聯(lián)合供暖系統(tǒng)

2007年,山東方亞地源熱泵空調(diào)技術(shù)有限公司在山東省德州市某辦公樓工程中,將地源熱泵與太陽(yáng)能供熱空調(diào)復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了成功應(yīng)用,應(yīng)用的建筑物為3層,建筑面積為5000 m2,層高為3 m。夏季:室內(nèi)溫度24～26℃;相對(duì)濕度<65%。冬季:室內(nèi)溫度18～22℃。辦公樓建筑冷負(fù)荷指標(biāo)為70 W/m2、熱負(fù)荷指標(biāo)為60 W/m2;冷負(fù)荷為350 kW,熱負(fù)荷為300 kW。該項(xiàng)工程地質(zhì)條件為土層,采用單U型管形式換熱器,管徑DN32,單位埋深熱量約為42 W/m,換熱器總長(zhǎng)度約為1萬(wàn)m,換熱井深為100 m,換熱井?dāng)?shù)量為100口,井間距為5 m。設(shè)計(jì)太陽(yáng)能集熱器集熱面積為480 m2,每組集熱器集熱面積為6 m2,集熱器共80組。該太陽(yáng)能系統(tǒng)主要用于夏季制冷,冬季輔助地源熱泵供熱,過(guò)渡季節(jié)太陽(yáng)能多余熱量,用地埋管蓄熱。該系統(tǒng)供熱和制冷共用1套裝置,冬季供暖循環(huán)水溫在35～45℃之間,夏季制冷循環(huán)水溫在7～12℃之間。這樣能滿(mǎn)足房間冬季供暖溫度不低于18℃,夏季制冷溫度不高于26℃的要求[11]。

6 結(jié)論

我國(guó)已具備了較完備的地源熱泵工程技術(shù),在淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范、鉆孔熱反應(yīng)原位測(cè)試技術(shù)、高效地下熱交換井技術(shù),地源熱泵與太陽(yáng)能聯(lián)合技術(shù)等方面研究都取得了新的進(jìn)展。這些技術(shù)的推廣應(yīng)用將更有助于地源熱泵技術(shù)在我國(guó)的大量推廣應(yīng)用,有助于實(shí)現(xiàn)我國(guó)2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%的節(jié)能減排目標(biāo)。

[1] 淺層地?zé)崮芤I(lǐng)節(jié)能新潮流[J].中國(guó)建設(shè)信息:供熱制冷, 2010,(2）.

[2] 李元普.我國(guó)地源熱泵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].中國(guó)建設(shè)信息:供熱制冷,2009,(5）.

[3] 馬宏權(quán),龍惟定.世博園區(qū)江水源熱泵技術(shù)應(yīng)用[J].建設(shè)科技,2010,(12）:58-64.

[4] DZ/T0225-2009,淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范[S].

[5] 孫友宏.地層熱物性原位測(cè)試方法及儀器[J].中國(guó)建設(shè)信息:供熱制冷,2008,(11）.

[6] 孫友宏.巖土鉆掘工程應(yīng)用的又一新領(lǐng)域--地源熱泵技術(shù)[J].探礦工程,2002,(S1）.

[7] 程金明,王巧真.地源熱泵土壤源換熱器的施工技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2009,36(7）.

[8] 莊迎春.直埋閉式地源熱泵回填土性能研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2004,(2）.

[9] 陳昌富,吳曉寒,王陳棟.地埋管地源熱泵系統(tǒng)及存在問(wèn)題分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2009,3(10）.

[10] 李朝佳.太陽(yáng)能輔助地源熱泵聯(lián)合供暖(制冷）運(yùn)行模式分析[J].能源工程,2008,(6）.

[11] 樊玉杰,吳建華.地源熱泵與太陽(yáng)能供熱空調(diào)復(fù)合系統(tǒng)的工程應(yīng)用[J].中國(guó)建設(shè)信息:供熱制冷,2010,(3）.

Progress and Application of Ground Source Heat Pump Technology in China

SUN You-hong1,2,ZHONG Chong-m ei1,3,WANG Q ing2hua1,2(1.College of Construction Engineering,Jilin University,Changchun Jilin 130026,China;2. Research Centerof GeothermalResource ofMinistry of Education of China,Changchun Jilin 130026,China;3.Changchun Engineering College,Changchun Jilin 130026,China）

Ground source heat pump(GSHP）technology was used in China not long,but the application speed is very fast,almost at an annual rate of over 20%growth,especially applied in the Expo 2010 Shanghai in large scale,to obtain good energy saving effect.W ith the application of the technology and in2depth research,China hasmastered the full range of GSHP technology,and in the technical regulations for shallow geothermal energy investigation and evaluation,bore ther-mal response testing techniques,efficient underground heat exchange wells,and joint application of solar and GSHP tech-nology have made new progress,these achievementswill be the realization of China’s energy2saving emission reduction tar-gets by 2050 to provide technical support.

ground source heat pump(GSHP）;thermal property;heat exchange well;back fullmaterial;solar energy

TK529;P634

:A

:1672-7428(2010）10-0030-05

2010-09-10

國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)“地層熱物理性質(zhì)原位測(cè)試方法及儀器研究”(項(xiàng)目編號(hào):200811066）;中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目“淺層地?zé)崮茔@采新技術(shù)研究與示范”(項(xiàng)目編號(hào):科[2003]020-07）

孫友宏(1965-）,男(漢族）,江蘇如皋人,吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院院長(zhǎng)、教授,博士生導(dǎo)師,地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè),從事地質(zhì)工程和新能源勘探開(kāi)發(fā)的教學(xué)與科研工作,吉林省長(zhǎng)春市西民主大街6號(hào),syh@jlu.cn。