地源熱熱泵(Ground-sourceheatpump)是一種利用地下淺層地熱資源既可供熱又可制冷的高效節能空調系統。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源(如電能),實現低溫熱源向高溫熱源的轉移。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,管內的流體與土壤之間進行換熱。熱泵在閉合回路和室內負荷之間傳遞熱量。該系統由閉式埋管系統、水源熱泵和室內分配系統組成。其中分配系統用來對加熱和冷卻的空氣和水在房間內進行分配。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障礙,且能效比大大提高。
地源熱泵由于其技術上的優勢,推廣這種技術有明顯的節能和環保效益,主要具有以下優點:
(1)節能、運行費用低。深層土地資源的溫度一年四季相對穩定,冬季比環境空氣溫度高,夏季比環境空氣溫度低,是很好的熱泵熱源和空調冷源。這種溫度特性使得地源熱泵系統比傳統空調系統運行效率要高約40%。
(2)一機多用,節約設備用房。地源熱泵系統可供暖、空調,還可供生活熱水,一機多用,一套系統可以替換原來的鍋爐加空調的兩套裝置。
(3)保護環境。開發推廣地源熱泵空調技術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,不會影響城鎮的環境質量。
(4)利用再生能源,可持續發展。地源熱泵是利用了地球表面淺層地熱資源作為冷熱源,進行能量交換的采暖空調系統。地表淺層地熱資源量大面廣,無處不在,它是一種清潔的可再生能源。因此,利用地熱的地源熱泵,是一種可持續發展的“綠色裝置”。
地源熱泵應用概況
2.1 國外發展情況
地源熱泵系統由于采用的是可再生的地熱能,因此被稱之為一項以節能和環保為特征的21世紀的技術。這項起始于1912年的技術(瑞士提出的一個專利,應用始于英、美兩國),美國從1946年開始對GSHP系統進行了十二個主要項目的研究,并在俄勒岡州的波特蘭市中心區安裝了美國第一臺地源熱泵系統。近十年來地源熱泵在歐美工業發達國家取得了迅速的發展,已成為一項成熟的應用技術。到2000年底,美國有超過40萬臺地源熱泵系統在家庭、學校和商業建筑中使用,每年約提供8000-11000Gwh的終端能量。地源熱源在工程上的應用主要為地下耦合熱泵系統(GCHPS)和地下水熱泵系統(GWHPS)、地表水熱泵系統(SWHPS)。
2.2 國內發展應用情況
2.2.1 能源消費現狀
到2040年,我國一次能源的總消費量將達38.6億噸標準煤,是現在能源消費量的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%。面對如此嚴峻的能源形勢,國家總的能源政策還是節能和新能源開發、再生能源利用并重,因此,地源熱泵技術的推廣應用在我國具有極大的現實意義和廣闊的發展前景。
2.2.2 地源熱泵應用情況
地源熱泵空調系統的設計,主要包括兩大部分:一是建筑物內的水環路空調系統的設計;二是地源熱泵空調系統的地下部分的設計,即地下耦合熱泵系統的地下熱交換器、地表水熱泵系統的地表水熱交換器、地下水熱泵系統的水井系統的設計。地下耦合熱泵系統最早應用在89年10月投入運行的上海閔行開發區辦公樓(4305m2,冷負荷4532KW,熱負荷231KW),其技術和設備均由美國提供,使用情況良好。135個深35m的垂直豎管井,埋管為聚丁烯管。國內的大專院校均進行了相關的垂直或水平埋地管的試驗研究和小型的工程應用,并建立了地埋管的傳熱模型。各地的地質條件不同,土壤的溫度和熱物性參數都不一樣,因此,地下耦合熱泵的應用還有待進一步的實驗驗證和實驗數據的積累。目前在我國來說,技術上比較成熟、利用可行性較大、實施的工程項目較多的還是地下水熱泵系統。目前國內生產水源熱泵機組的廠家也已達到二、三十家。因為國內還沒有頒布水源熱泵機組的生產技術標準,國內廠家生產的產品質量差別較大,從有些廠家的產品樣本來看,技術參數不完整、不準確。
地源熱泵空調系統設計
3.1 地源熱泵系統循環簡介及選擇
地源熱泵系統按其循環形式可分為:閉式循環系統、開式循環系統和混合循環系統。
3.1.1 閉式循環系統
封閉循環系統是指冷(熱)源側的循環水在機組室外換熱器與地源換熱器間形成封閉循環。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)源側換熱系統是采用封閉循環。
3.1.2 開式循環系統
開式循環系統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。
3.1.3 混合循環系統
對于混合循環系統,地下換熱器一般按熱負荷來計算,夏天所需的額外的冷負荷由常規的冷卻塔來提供。
3.1.4 循環系統選擇
閉式循環系統是一中比較穩定可靠的常規循環系統,對地下水、地下環境沒有污染,一般設計應優先考慮該循環系統。對于地下設計熱交換空間不夠充分,或垂直埋管困難等地下特殊情況,可考慮設計混合循環系統。
3.2 系統設計參數討論
關于(冷)熱源側水流量,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流程長度、埋管材料、管徑大小、當地地源條件以及機組的特性要求。一般,如提高水流速度可適當增加換熱系數,強化換熱量,減小換熱面積和換熱管的耗材,但流速太快會增加循環水泵能量消耗。一般可取流速為0.65-1.5m/s。具體可當地條件進行優化分析與設計,其優化設計考慮的參數關系如下。復合能耗N=f(長度LLT、埋管材料Ma、管徑D、地源溫度Te,地源熱指標Ke,機組特性Type)在機組選擇上,設定地埋管進水溫度,根據測井測出的進出水溫差推算出地埋管出水溫度,進而確定熱泵機組中工質冬季的蒸發溫度和冷凝溫度。總之,我國幅員遼闊,地處溫帶,在不同地區氣候條件差異很大,其負荷也迥然不同。因此不能照搬國外的技術成果,而要開發適合我國氣候特點的技術。
3.3 機組的設計
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,以水-水系統為例,由一個室外機組和多個室內機組組成。該系統可以對每個空調室進行單獨調節,滿足各個空調室的要求,具有較好的節能效果。而變頻戶式地源熱泵空調系統加上獨立的新風系統是一很有發展前景的理想的節能舒適型戶式中央空調系統。因而其優化設計具有極其重要的價值。傳統的制冷系統設計方法是基于經驗加實驗為主。通常經驗設計方法簡便易行,對理論知識和實驗條件等依賴性相對較小。然而經驗設計方法不可避免地具有直接和可靠性低、穩定性差的缺點,只適于產品的初步開發。而基于理論預測的優化設計技術可以有效。
最優化方法就是在一切可行方案中選出最優方案的方法。在最優化設計中,表征方案的一切獨立變量為設計變量。最優化方法就是研究如何合理地確定這些變量的方法。而評價方案優劣的指標決定于該方案所選定的設計變量,即該指標為設計變量的函數-目標函數。在系統優化設計中,設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系統由變頻壓縮機、冷凝器、蒸發器、電子膨脹閥、室內機、制冷劑管路和水泵水管路系統組成。根據制冷系統熱力學理論,利用參數動態分布、相互關聯的方法,建立系統各部件數學模型和運行參數動態方程,組成系統運行參數的方程組,并對該系統進行動態模擬。模擬系統的動態特性,為優化設計提供依據。為滿足空調系統的節能、熱舒適性及制冷制熱好的效果,空調系統的能效比、降(升)溫速率和降(升)溫幅度要達到指標要求。因而在優化設計時,分別選取能效比、降(升)溫速率和降(升)溫幅度為目標函數的多目標優化方法。同時考慮滿足冷凝器和蒸發器結構、面積范圍、迎面風速范圍、系統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機數量等約束條件的要求,利用優化方法進行對上述目標多目標優化計算,從而達到針對不同地域的地源熱泵系統的優化設計的目的。
3.4 地源熱泵地下換熱器形式與布設
土壤熱交換器是地源泵機組設計的關鍵。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和應用環境。在中國采用豎直埋管更顯示出其優越性:節約用地面積,換熱性能好,可安裝在建筑物基礎、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計進行簡單的探討。
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、價格便宜等優點?？晒┻x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。豎直埋管可須根據當地地質條件而定,可以從20m-200m。確定深度應綜合考慮占地面積、鉆孔設備、鉆孔成本和工程規模。如果地表土壤層很厚,鉆孔費用相對便宜,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,要綜合考慮當地的地質及土壤的傳熱情況。
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到預計深度,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型管并聯構成地下換熱器。根據地質結構不同,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水的溫度是不斷變化的。夏季供冷工況進行時,由于蓄熱地溫提高,機組運行時水溫不斷上升,停機時水溫又有所下降,當建筑物得熱達到最大時水溫升至最高點。冬季供熱工況運行時則相反,由于取熱地溫下降,當建筑物失熱最多時,換熱器中水溫達到最低點。對于簽埋管尤其嚴重。設計時,首先應設定換熱器埋管中循環水最高溫度和最低溫度。同時,由于埋管換熱器的表面結垢等影響,設計時要考慮衰減,設定值應通過經濟比較選擇最佳狀態點。
總結：地源熱泵空調系統在我國是一項新的技術,它是一項跨專業、跨學科的綜合能源利用技術,需要通過相關專業技術人員的通力協作,做好勘測、設計、施工、調試等各項工作才能使系統達到要求的節能、環保性能。近幾年在全國各地已經有大量工程投入使用,應該積極對實際運行經驗進行總結,以其使地源熱泵這項利國利民的可再生能源利用技術得到健康有序的發展。
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