浅议地源热泵系统及其勘察设计的注意事项

何宏伟 庞韶伟

浅议地源热泵系统及其勘察设计的注意事项

何宏伟 庞韶伟

分析了地源热泵在现今能源系统中的存在优势及其发展前景,简要介绍了地源热泵的原理、特点及组成,并对地源热泵的勘察设计进行了简要探讨,以期促进地源热泵系统的推广应用。

地源热泵,地埋管,换热试验

0 引言

随着我国城市建设的发展,能源与环境问题成为人类迫切需要解决的大问题,它直接影响到全球生态平衡和人类的可持续发展。由于能源短缺以及传统不可再生燃料使用所产生的严重环境污染问题,使人们探索诸如太阳能、生物质能、风能、海洋能等新能源的热情不断增加,地热能作为一种具有广阔开发前景的新能源也日益受到关注。而地源热泵是一种既可供热又可制冷的高效节能绿色空调系统。

1 地源热泵工作原理及工作特点

1.1 地源热泵技术的工作原理

地源热泵是一种以土壤、地下水作为低温热源的热泵空调技术。其原理是依靠消耗少量的电力驱动压缩机完成制冷循环,利用土壤温度相对稳定(不受外界气候变化的影响)的特点,通过深埋土壤的环闭管线系统进行热交换,夏天向地下释放热量,冬天向地下吸收热量,从而实现制冷或供暖的要求(见图 1)。完成该系统的能源循环只需要少量的电力驱动。

1.2 地源热泵的技术特点

1)属可再生能源利用技术。地源热泵是利用地球水体或土壤所储藏的太阳能资源作为冷热源,进行能量转换的空调系统,是利用清洁的可再生能源的一种技术。2)高效节能,运行费用低。以地表水、浅层地下水以及土壤等低品位热量为冷热源,能量来源稳定可靠,运转效率比常规家用空调高 40%以上,投入1 kW电能可以平均获得 4.0 kW以上的冷量或热量。机组利用浅层地热能,使机组的制冷能效比 cop值高达 5以上(制热 cop大于 3.5),远远大于普通风冷空调。运行费用比传统空调节省 40%～60%。3)一机多用,应用范围广。机组采用独特的热水回收技术,夏季制冷、冬季供暖,在制冷的同时,可免费加热生活热水。可广泛应用为写字楼、商场、景观、住宅、公寓、学校、体育馆、医院、工厂等场所的舒适性空调及满足特定要求的工艺性空调。4)环保安全,占地面积小。系统运行过程中,没有任何气态、液态、固态污染物排放,也没有废热、废水损失。整个系统全封闭循环,不会造成对土壤和地下水的污染,可实现使用区域零污染。机组体积小,且省去冷却塔和锅炉,机房面积小,可以充分利用楼梯间的空间安装。5)系统稳定,寿命长。土壤温度相对恒定,使得机组能在一个稳定的工况下工作,因此机组不存在除霜问题,减少了机组频繁启停;机组安装在室内,避免风吹雨淋;机组采用热回收技术后,负荷减小,使用寿命亦相应延长。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

天津团泊新城奥特莱斯项目：建设场地位于天津市静海县管铺头村东南。拟建物为1层～3层的连排商业楼,建筑物拟采用竖直地埋管地源热泵空调系统,换热系统供给建筑面积为 33 000m2,竖直地埋管拟采用双 U管,孔径 260mm,深度 100m。

2.2 垂直地埋管换热试验

2.2.1 测试目的及原理

本工程拟采用竖直地埋管地源热泵空调系统,为此特意进行了埋地换热器的地下换热特性实验。为进一步的地源热泵系统优化设计与节能运行提供必要的数据依据。

2.2.2 测试原理

埋地换热器的地下换热响应特性实验在理论上可以归结为在一定热流边界条件下的非稳态传热问题。其数学解析主要有两种模型：1)基于线热源理论的线模型;2)基于圆柱热源理论的柱模型。与线热源模型相比,圆柱热源模型更加能够准确反映埋地换热器与周围岩土的真实换热状况,可充分考虑回填影响、不均匀热流、热短路等诸多因素。因此,本实验采用了柱热源数学模型。

2.2.3 测试装置简介

本次测试装置主要由控制主机和测量系统两部分组成,图 2给出了主机部分的结构原理图。在实验过程中,先后测定埋地换热器的取热能力和排热能力,并且通过地下换热量随流体平均温度的线性变化的拟合方程来确定测试数据的有效性。

2.3 室内试验分析

根据本工程有关勘察报告中的 2个勘探孔岩土柱状图及室内土工试验报告可以看出,测试地点的浅层岩土以粉砂和粉质粘土为主,基本处于饱和状态,计算得到平均自然密度分别为 2 030 kg/m3和 2 021 kg/m3,平均含水量分别为 23.6%和 24.2%,这说明两孔附近的岩土物理性质差别不大。

2.4 现场换热试验

2.4.1 换热试验过程

本次换热试验对每个换热孔实施 2组取热和 2组排热工况试验,并在2号换热孔中测量土壤初始温度。试验时间为 2010年7月 14日开始,至 2010年 7月 23日结束。

1)取热工况过程：通过控制装置,将系统设成取热实验,热响应测试仪的冷却装置开始工作,将水箱里的水冷却到设定的温度,然后通过循环泵,送入到地埋管回路,经过一周循环,再回到水箱。2)排热工况过程：通过控制装置,将系统设成放热实验,热响应测试仪的加热装置开始工作,将水箱里的水加热到设定的温度,然后通过循环泵,送入到地埋管回路,经过一周循环,再回到水箱。

2.4.2 土壤换热量及导热系数

表1进一步汇总了 1号换热孔的地下换热实验结果。可以看出,对于取热工况,随着进口温度的减小,地下换热量呈逐渐增大趋势;对于排热工况,随着进口温度的增加,地下换热量呈逐渐增大趋势。这里,“+/-”符号代表传热的方向,其中“-”代表由土壤向埋管传热,“+”代表由埋管向土壤传热。

表1 换热孔地下换热特性实验结果一览表

2.5 试验误差分析

总结以上测试成果,室内试验结果：1号取样孔平均导热系数1.65W/(mK);2号取样孔平均导热系数 1.58W/(mK);现场热响应测试结果：1号换热孔平均导热系数 1.53W/(m℃),2号换热孔平均导热系数 1.49W/(m℃)。两孔现场热响应测试结果比室内试验结果分别偏小 8%和 6%。

产生上述偏差的因素主要包括钻孔取样、封装及运输过程中引起的土样物性变化,实验室分析误差,现场试验效果和模型误差等。钻孔取样时,可能存在扰动;封装过程中,可能密封不严,造成水分蒸发损失;运输过程中,可能产生振动;实验室中人为操作,可能产生分析误差;现场试验也存在众多影响因素;计算方法和模型选择不同,也存在一定的误差。

3 结语

1)地源热泵系统具有效率高、节能、环保等优点,在现今能源紧缺的年代应用前景相当广泛。针对地源热泵系统的勘察设计工作应以岩土平均导热系数为主要设计参数,并充分考虑建筑的实际空调负荷特性,进行有效的系统长期运行可靠性分析。2)现场勘察是设计环节的第一步。在决定使用地源热泵系统之前,应对现场情况、地质资料进行准确详实的勘察与调研。这些资料是系统设计的基础。3)地质状况决定使用何种钻孔、挖掘设备或安装成本的高低。应基于测试孔的勘测情况或当地地质状况对施工现场的适应性做出评估。4)在设计、布置埋地换热器管群时,应充分考虑换热量的动态变化规律,合理选择热泵机组、匹配循环水泵,以保证系统的节能运行效果。

[1]刘国林.建筑物自动化系统[M].北京：机械工业出版社,2002.

[2]马最良,吕 悦.地源热泵系统设计与应用[M].北京：机械工业出版社,2006.

[3]刘恩海,赵立影.土壤源热泵的应用现状与展望[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

何宏伟(1975-),男,工程师,天津市地质工程勘察院,天津 300191

庞韶伟(1970-),男,高级工程师,天津市地质工程勘察院,天津 300191

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