何宏偉 龐韶偉

淺議地源熱泵系統(tǒng)及其勘察設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

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(shì)及其發(fā)展前景,簡(jiǎn)要介紹了地源熱泵的原理、特點(diǎn)及組成,并對(duì)地源熱泵的勘察設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要探討,以期促進(jìn)地源熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

地源熱泵,地埋管,換熱試驗(yàn)

0 引言

隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展,能源與環(huán)境問(wèn)題成為人類迫切需要解決的大問(wèn)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(yán)重環(huán)境污染問(wèn)題,使人們探索諸如太陽(yáng)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(diǎn)

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(dòng)壓縮機(jī)完成制冷循環(huán),利用土壤溫度相對(duì)穩(wěn)定(不受外界氣候變化的影響)的特點(diǎn),通過(guò)深埋土壤的環(huán)閉管線系統(tǒng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)制冷或供暖的要求(見(jiàn)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(dòng)。

1.2 地源熱泵的技術(shù)特點(diǎn)

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(chǔ)藏的太陽(yáng)能資源作為冷熱源,進(jìn)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(yùn)行費(fèi)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(lái)源穩(wěn)定可靠,運(yùn)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(jī)組利用淺層地?zé)崮?使機(jī)組的制冷能效比 cop值高達(dá) 5以上(制熱 cop大于 3.5),遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通風(fēng)冷空調(diào)。運(yùn)行費(fèi)用比傳統(tǒng)空調(diào)節(jié)省 40%～60%。3)一機(jī)多用,應(yīng)用范圍廣。機(jī)組采用獨(dú)特的熱水回收技術(shù),夏季制冷、冬季供暖,在制冷的同時(shí),可免費(fèi)加熱生活熱水?？蓮V泛應(yīng)用為寫字樓、商場(chǎng)、景觀、住宅、公寓、學(xué)校、體育館、醫(yī)院、工廠等場(chǎng)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(yùn)行過(guò)程中,沒(méi)有任何氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)污染物排放,也沒(méi)有廢熱、廢水損失。整個(gè)系統(tǒng)全封閉循環(huán),不會(huì)造成對(duì)土壤和地下水的污染,可實(shí)現(xiàn)使用區(qū)域零污染。機(jī)組體積小,且省去冷卻塔和鍋爐,機(jī)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(zhǎng)。土壤溫度相對(duì)恒定,使得機(jī)組能在一個(gè)穩(wěn)定的工況下工作,因此機(jī)組不存在除霜問(wèn)題,減少了機(jī)組頻繁啟停;機(jī)組安裝在室內(nèi),避免風(fēng)吹雨淋;機(jī)組采用熱回收技術(shù)后,負(fù)荷減小,使用壽命亦相應(yīng)延長(zhǎng)。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

天津團(tuán)泊新城奧特萊斯項(xiàng)目：建設(shè)場(chǎng)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(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(yàn)

2.2.1 測(cè)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(jìn)行了埋地?fù)Q熱器的地下?lián)Q熱特性實(shí)驗(yàn)。為進(jìn)一步的地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與節(jié)能運(yùn)行提供必要的數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.2.2 測(cè)試原理

埋地?fù)Q熱器的地下?lián)Q熱響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)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(wèn)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(zhǔn)確反映埋地?fù)Q熱器與周圍巖土的真實(shí)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(shí)驗(yàn)采用了柱熱源數(shù)學(xué)模型。

2.2.3 測(cè)試裝置簡(jiǎn)介

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

2.3 室內(nèi)試驗(yàn)分析

根據(jù)本工程有關(guān)勘察報(bào)告中的 2個(gè)勘探孔巖土柱狀圖及室內(nèi)土工試驗(yàn)報(bào)告可以看出,測(cè)試地點(diǎn)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(jì)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(shuō)明兩孔附近的巖土物理性質(zhì)差別不大。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)換熱試驗(yàn)

2.4.1 換熱試驗(yàn)過(guò)程

本次換熱試驗(yàn)對(duì)每個(gè)換熱孔實(shí)施 2組取熱和 2組排熱工況試驗(yàn),并在2號(hào)換熱孔中測(cè)量土壤初始溫度。試驗(yàn)時(shí)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(guò)程：通過(guò)控制裝置,將系統(tǒng)設(shè)成取熱實(shí)驗(yàn),熱響應(yīng)測(cè)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(guò)循環(huán)泵,送入到地埋管回路,經(jīng)過(guò)一周循環(huán),再回到水箱。2)排熱工況過(guò)程：通過(guò)控制裝置,將系統(tǒng)設(shè)成放熱實(shí)驗(yàn),熱響應(yīng)測(cè)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(guò)循環(huán)泵,送入到地埋管回路,經(jīng)過(guò)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(jìn)一步匯總了 1號(hào)換熱孔的地下?lián)Q熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?對(duì)于取熱工況,隨著進(jìn)口溫度的減小,地下?lián)Q熱量呈逐漸增大趨勢(shì);對(duì)于排熱工況,隨著進(jìn)口溫度的增加,地下?lián)Q熱量呈逐漸增大趨勢(shì)。這里,“+/-”符號(hào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果一覽表

2.5 試驗(yàn)誤差分析

總結(jié)以上測(cè)試成果,室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果：1號(hào)取樣孔平均導(dǎo)熱系數(shù)1.65W/(mK);2號(hào)取樣孔平均導(dǎo)熱系數(shù) 1.58W/(mK);現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果：1號(hào)換熱孔平均導(dǎo)熱系數(shù) 1.53W/(m℃),2號(hào)換熱孔平均導(dǎo)熱系數(shù) 1.49W/(m℃)。兩孔現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果比室內(nèi)試驗(yàn)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(yùn)輸過(guò)程中引起的土樣物性變化,實(shí)驗(yàn)室分析誤差,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果和模型誤差等。鉆孔取樣時(shí),可能存在擾動(dòng);封裝過(guò)程中,可能密封不嚴(yán),造成水分蒸發(fā)損失;運(yùn)輸過(guò)程中,可能產(chǎn)生振動(dòng);實(shí)驗(yàn)室中人為操作,可能產(chǎn)生分析誤差;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也存在眾多影響因素;計(jì)算方法和模型選擇不同,也存在一定的誤差。

3 結(jié)語(yǔ)

1)地源熱泵系統(tǒng)具有效率高、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)今能源緊缺的年代應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛。針對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的勘察設(shè)計(jì)工作應(yīng)以巖土平均導(dǎo)熱系數(shù)為主要設(shè)計(jì)參數(shù),并充分考慮建筑的實(shí)際空調(diào)負(fù)荷特性,進(jìn)行有效的系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性分析。2)現(xiàn)場(chǎng)勘察是設(shè)計(jì)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況、地質(zhì)資料進(jìn)行準(zhǔn)確詳實(shí)的勘察與調(diào)研。這些資料是系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)試孔的勘測(cè)情況或當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)狀況對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)性做出評(píng)估。4)在設(shè)計(jì)、布置埋地?fù)Q熱器管群時(shí),應(yīng)充分考慮換熱量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,合理選擇熱泵機(jī)組、匹配循環(huán)水泵,以保證系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行效果。

[1]劉國(guó)林.建筑物自動(dòng)化系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[2]馬最良,呂 悅.地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)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(jí)工程師,天津市地質(zhì)工程勘察院,天津 300191

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