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        土壤源熱泵系統(tǒng)地下地埋管換熱性能的研究

        2014-04-29 07:51:28趙啟月魏琦君
        信息周刊 2014年31期
        關(guān)鍵詞:土壤溫度間歇源熱泵

        趙啟月 魏琦君

        【摘 要】 受傳統(tǒng)老技術(shù)的制約,大多熱泵冷暖機組實際應(yīng)用效果并不夠理想,節(jié)能效果與設(shè)計前相比存在一定誤差,然而目前,我國地?zé)崮茉吹拈_發(fā)利用程度還比較低,在地?zé)崮茉蠢梅矫?,土壤源熱泵空調(diào)是一種利用地?zé)崮茉磳崿F(xiàn)制冷與供暖的設(shè)備本文就地源熱泵系統(tǒng)土壤源熱泵系統(tǒng)的影響、土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的基本工作原理及地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化與運行研究進展進行探討。

        【關(guān)鍵詞】 土壤源熱泵系統(tǒng);地下地埋管換熱性能;研究

        引言:

        地源熱泵是隨全球能源環(huán)境問題的可持續(xù)發(fā)展而逐漸興起的一門節(jié)能環(huán)保的淺表地?zé)崂眉夹g(shù)。我國《可再生能源法》已于2005年頒布,同年推出了國家標準《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》,為在我國推廣地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用提供了政策保障和技術(shù)準則。地埋管地源熱泵系統(tǒng)是地源熱泵系統(tǒng)的一種形式,由于該系統(tǒng)只取熱,不取水,沒有地下水位下降和地面沉降向題,不存在腐蝕和開鑿回灌井問題,也不存在對大氣排熱、排冷的熱污染和排煙、排塵、排水等污染問題,所以應(yīng)用最為廣泛。

        一、土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的基本工作原理

        地源熱泵系統(tǒng)是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源地下水,地表水或土壤等既可制冷又可制熱的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過輸入少量的高品位能源如電能,實現(xiàn)低位熱能向高位熱能的轉(zhuǎn)移。地能可分別在冬季作為熱粟供暖的熱源和夏季空調(diào)制冷的冷源。該系統(tǒng)本身消耗了一部分的電能,而整個熱菜裝置所消耗功僅為輸出功的一小部分。由于該系統(tǒng)采取特殊的換熱方式,相比于傳統(tǒng)空調(diào)使其具有無法比擬的高效節(jié)能的優(yōu)點。同時,在整個換熱過程中沒有化石燃料的燃燒和損耗,因此地源熱菜不會對周圍環(huán)境造成損害。作為一種綠色無污染,高效又節(jié)能的空調(diào)方式,地源熱泵系統(tǒng)在現(xiàn)代社會的應(yīng)用中必將變得越來越廣泛。

        (一)土壤源熱泵與空氣源熱泵的工作原理相似

        在制冷狀態(tài)下,制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)而吸收室內(nèi)循環(huán)空氣所攜帶的熱量,通過壓縮機對制冷劑做功,使其在室外冷凝器內(nèi)冷凝,然后通過系統(tǒng)中的循環(huán)水路將制冷劑中所攜帶的熱量吸收,最后經(jīng)過室外地能換熱系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到土壤里。其工作原理如圖1所示。在制熱狀態(tài)下,開始由系統(tǒng)內(nèi)的壓縮機對制冷劑做功,然后利用四通閥將制冷劑的流動方向換向,從而由室外地能換熱系統(tǒng)吸收地下土壤里的熱量,并在室內(nèi)側(cè)換熱器中將熱量釋放給室內(nèi)空氣,實現(xiàn)向室內(nèi)供熱。其工作原理如圖2所示。

        (二)土壤源熱泵空調(diào)的優(yōu)點

        第一,使用土壤源熱泵空調(diào)可以在很大程度上實現(xiàn)資源的可再生利用。土壤源熱泵可以通過吸收地球表面淺層地?zé)豳Y源作為冷熱源然后再進行能量轉(zhuǎn)換,從地理學(xué)角度來看,淺層地表就是一個太陽能資源儲存器,太陽輻射的能量有47%都被淺層地表吸收了。這種地?zé)崃看竺鎻V、無處不在,它基本不受地理位置、季節(jié)氣候、資源等限制。這種淺層地表儲存的太陽熱能資源幾乎是無限可再生能源,可以實現(xiàn)反復(fù)循環(huán)利用,最重要的還是這種能源本身就是一種清潔能源。在地表之下5米的土壤溫度比地表氣溫低,但是基本均衡穩(wěn)定。第二,使用土壤源熱泵空調(diào)的運行費用較低。較低的運行費用使得土壤熱源泵有一定的經(jīng)濟可行性。從其與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的運行費用相比來看,每年大約可節(jié)省40%的運行費用。土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的機組使用壽命長,設(shè)計使用年限均在20年左右。較長的使用年限攤薄了每年的成本費用,可以有效地降低使用維護成本。

        二、地源熱泵系統(tǒng)土壤源熱泵系統(tǒng)的影響

        (一)系統(tǒng)運行模式對U型管換熱性能的影響

        地源熱泵系統(tǒng)在適應(yīng)不同場合的供冷、采暖需求時有全天連續(xù)運行、晝開夜停間歇運行、全天不連續(xù)運行等模式,不同的運行模式下其埋管的換熱效率是不盡相同的,有限差分模型為基礎(chǔ)分析了不同運行條件下地埋管內(nèi)流體和周圍土壤的換熱性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn),間歇運行時流體和周圍土壤的換熱性能高于連續(xù)運行時。于紅海在建立了鉆孔內(nèi)二維、準三維傳熱模型的同時,又引入了脈沖熱流對連續(xù)運行和間歇運行時的溫度響應(yīng),建立了埋管換熱器的較為完善的模型,對60m深U型埋管換熱器地源熱泵進行了夏季運行的實驗測試。結(jié)果表明,在最佳流速0.42m/s時,由于連續(xù)運行時管內(nèi)介質(zhì)與周圍土壤交換的熱量來不及向周圍擴散而影響了進一步的傳熱而使得全天連續(xù)運行時單位孔深換熱量與系統(tǒng)制冷系數(shù)隨運行時間的延長而減少,且晝開夜停運行模式易于保證地溫的恢復(fù),使對提高單位孔深換熱量更加有利。

        (二)不同運行方式下埋管周圍土壤溫度場的研究

        地源熱泵系統(tǒng)在與土壤換熱過程中會改變土壤溫度分布情況,土壤溫度的恢復(fù)需要一段時間。因此在熱泵系統(tǒng)的運行方面,需采用時停時開的間隙運行方案。對于別墅來說,不需要全天對室內(nèi)進行供暖或制冷,因此可采取間歇式運行方式,既可縮短熱泵系統(tǒng)運行時間,又減少了電能消耗,同時減輕了土壤的負擔(dān),與連續(xù)運行方式相比,更有利于土壤溫度的恢復(fù)。為了更好地比較間歇式運行方案與連續(xù)式運行方案的區(qū)別,在初始條件相同的情況下,分別以間歇方式與連續(xù)方式運行。間歇運行方式的開停時間比1∶1,運行36h;連續(xù)運行方式運行24h。間歇運行與連續(xù)運行水平方向距埋管0.1m處土壤溫度隨時間的變化關(guān)系如圖1所示。

        由圖1模擬結(jié)果可看出,在初始條件相同的條件下,前12h兩種方式運行結(jié)果相同,土壤溫度都為8.05℃,但間歇方式經(jīng)12h的停機后,土壤溫度恢復(fù)到9.20℃,已與初始溫度十分接近,后12h運行結(jié)束后土壤溫度為7.85℃,運行前后溫差為1.35℃,而連續(xù)運行方式運行24h后土壤溫度為7.30℃,后12h運行前后溫差為0.75℃,得出間歇運行方式比連續(xù)運行方式埋管換熱量提高了80.0%,由此可見,在相同的初始條件下,開停時間比為1∶1,間歇運行36h比連續(xù)運行24h的效果更好。

        三、地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化與運行研究進展

        (一)換熱器的傳熱效果優(yōu)化與評價

        埋管換熱器可分為水平埋管,垂直埋管和螺旋形埋管三大類。水平埋管形式適合于有足夠空閑場地的地方,其埋管深度通常在1.2-3米。垂直埋管適合于10-100米埋深的U型垂直埋管或套管。螺旋型埋管形式結(jié)合了兩者的優(yōu)點,占地面積小,安裝費用低,但其管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜管道加工困難,且系統(tǒng)運行阻力大,能耗偏高。應(yīng)用有限單元法對土壤熱源地下U型垂直埋管周圍土壤的非穩(wěn)態(tài)溫度場進行了數(shù)值模擬,其結(jié)果與試驗測試值吻合良好,為U型垂直管埋深、數(shù)量及間距的設(shè)計提供了參考依據(jù)。丁力等針對影響土壤源熱泵垂直埋管單管換熱性能的幾種因素進行分析研究,得到盤管物理特性與換熱性能之間的內(nèi)在聯(lián)系,并利用數(shù)值計算方法進行數(shù)值模擬,計算值與實測值吻合的較好。趙軍等采用能量平衡法建立了土壤層內(nèi)U型管樁埋換熱器穩(wěn)態(tài)傳熱模型,并以天津市某地源熱泵實際工程為背景,模擬計算了管腳熱影響因子、土壤導(dǎo)熱系數(shù)等對U型管樁埋換熱器的傳熱性的影響。

        (二)各種土壤狀況下不同埋地換熱器在不同埋管方式下的換熱過程及換熱機理分析

        土壤的溫度、熱特性、熱傳導(dǎo)性、熱傳導(dǎo)性、密度、濕度等也是影響系統(tǒng)性能的因素。例如,卵石性土壤導(dǎo)熱系數(shù)高,但施工費用大,因此,粘土和沙地是埋管系統(tǒng)較合適的土壤類型,另外,土壤潮濕可以加大土壤導(dǎo)熱系數(shù)。熱泵在運行期間會在盤管周圍因土壤的凍結(jié)出現(xiàn)土壤凍土層,試土壤膨脹,與管道接觸緊密而傳熱系數(shù)增大,但熱泵一旦停止運行,凍土融化,就會使土壤位移。從而在土壤與盤管間出現(xiàn)空隙,由于空氣的存在,使導(dǎo)熱系數(shù)大幅下降。為避免這種情況發(fā)生,應(yīng)采用沙土回填。范萍萍等提出在地源熱泵運行過程中,利用間歇過程,彌補土壤傳熱慢的缺點。土壤源熱泵間歇運行時間可以改變土壤溫度的變化規(guī)律,增強傳熱并實現(xiàn)更佳的熱泵運行工況。

        四、結(jié)束語

        地埋管地源熱泵系統(tǒng)的研究和項目實施是我國地源熱泵系統(tǒng)三種形式中開始最晚的一種,其造價和運行費用相對也較地下水地源熱泵和地表水地源熱泵系統(tǒng)要稍高。但這些并不妨礙地埋管地源熱泵的迅速發(fā)展,原因在于地埋管地源熱泵采用地埋管換熱器內(nèi)循環(huán)水換取土壤中貯存的溫差能,沒有對自然水源的開采和污染的擔(dān)心,因此適用性更廣,安全穩(wěn)定性更高,尤其在夏熱冬冷地區(qū)不失為一種新的空調(diào)冷熱源。

        參考文獻:

        [1]於仲義.土壤源熱泵垂直地埋管換熱器傳熱特性研究[D].華中科技大學(xué),2008.

        [2]陳萌.土壤源熱泵地下埋管換熱器換熱性能的分析[D].長安大學(xué),2009.

        [3]曹曉玲.成都地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)運行特性研究[D].西南交通大學(xué),2010.

        [4]劉虎.滲流條件下地埋管換熱器傳熱影響因素及優(yōu)化設(shè)計研究[D].太原理工大學(xué),2013.

        [5]羅蘇瑜.土壤蓄能與土壤源熱泵集成系統(tǒng)地埋管換熱特性研究[D].中南大學(xué),2007.

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