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淺析土壤源熱泵的性能及其發展應用

點擊:1690 日期:[ 2014-04-27 11:50:48 ]
淺析土壤源熱泵的性能及其發展應用                                  李婷 強天偉 蔣恩澤                        西安工程大學環境與化學工程學院    [摘要]本文主要介紹了土壤源熱泵系統的發展現狀,其構成、分類及特點,同時分析了土壤源熱泵性能的影響因素及其具體應用。    [關鍵詞]土壤源熱泵 影響因素 特點 節能    0、引言    地源熱泵由于其高效、節能、環保的特點,近年來日益受到人們的重視,尤其是在資源日益短缺、能源價格日益上漲的今天,節能環保成了當前的主要話題。系統通過地源熱泵將環境中的熱能提取出來對建筑物供暖或者將建筑物中的熱能釋放到環境中去而實現對建筑物的制冷,夏季可以將富余的熱能存于地層中以備冬用;同樣,冬季可以將富余的冷能貯存于地層以備夏用。這樣,通過利用地層自身的特點實現對建筑物、環境的能量交換。該技術可以充分發揮淺層地表的儲能儲熱作用,達到環保、節能雙重功效,而被譽為“21世紀最有效的空調技術”。    1、土壤源熱泵發展現狀    1912年Zoelly首次提出了利用土壤作為熱泵系統的熱源設想,隨后申請了專利。國內最早的土壤源熱泵開始于1989年。當時,青島建筑工程學院同瑞典皇家工學院合作建立了國內第一個土壤源熱泵實驗室。目前,國內對于地源熱泵系統的研究重點均放在地埋管換熱器的試驗研究上,實驗的重點是單位管長放熱量的確定、系統COP的確定等。實驗的形式主要有:水平埋管熱泵系統供冷供熱試驗、豎直套管式地埋管換熱器試驗、豎直U型管熱泵系統冬夏季運行試驗研究等。重慶建筑大學、天津商學院、湖南大學等單位對土壤源熱泵也進行了多年的研究。天津大學、清華大學分別與有關企業建成數個示范工程。土壤源熱泵系統越來越多的被房地產商所關注和采用。這些單位分別根據各自的地質條件給出了相關的實驗結果,同時對地埋管換熱器傳熱模型、地埋管換熱器設計計算模擬及影響地埋管換熱器傳熱的各種因素進行了初步研究,取得了一些階段性成果。    2、淺析土壤源熱泵    2.1工作特點    土壤源熱泵是利用地下常溫土壤溫度相對穩定的特性,通過深埋于建筑物周圍的管路系統與建筑物內部完成熱交換的裝置。冬季從土壤中取熱,向建筑物供暖;夏季向土壤排熱,為建筑物制冷。它以土壤作為熱源、冷源,通過高效熱泵機組向建筑物供熱或供冷。高效熱泵機組的能效比一般能達到4.0kw/h以上,與傳統的冷水機組加鍋爐的配置相比,全年能耗可節省40%左右,初投資偏高,機房面積較小,節省常規系統冷卻塔可觀的耗水量,運行費用低,不產生任何有害物質,對環境無污染,實現了環保的功效(如圖1所示)。               2.2土壤源熱泵的應用條件    通過對近幾年的工程實例和參考文獻的總結,得出4個條件:(1)同時具有夏冬空調負荷,并且年冷熱負荷較接近時對土壤源熱泵系統的運行更有利;(2)當地下土壤溫度在13-19℃時,土壤換熱器的效果最為顯著,而我國大部分的夏熱冬冷地區最為合適;(3)當地100m之內不存在堅硬地層,且存在保水性好的砂土層對土壤源熱泵實施起來更有利;(4)具備合適的土壤換熱器布置面積,但要注意的是,不能一味追求土壤換熱器面積,而減少換熱器之間的間距,這樣不僅不會增加效率,反之還會降低換熱器的使用壽命。    2.3土壤源熱泵的影響因素    2.3.1土壤溫度    土壤的溫度是影響熱泵的主要因素之一。熱泵的效率主要取決于建筑物室內與室外的溫度差,該溫度差減少則熱泵效率就提高。大地溫度最主要的特點就是它的延遲性和蓄熱性。在我國,15mm以下到15m土壤就進入常溫層,土壤溫度相當于該地區全年的平均氣溫,多數情況下比氣溫高1℃-2℃。從15m到20m以下,土壤的增溫率是3℃/m。當深度達到100m以后,隨深度增加土壤溫度開始下降,土壤溫度不會受到室外氣溫和季節性的變化,根據土壤溫度可以知道,土壤源熱泵在制熱工況下很有利,其制熱性能系數大約是2.2-3.2。    2.3.2土壤特性    土壤的類型、熱特性、熱傳導性、密度和濕度等也是影響系統的主要原因。就地表而言,垂直地表的土壤熱特性要大于水平方向的熱特性(表1,表2)。               雖然卵石性土壤導熱系數高,但因石塊的含量使施工費用大幅增加,因此粘土和砂地是土壤源埋管的很好選擇。另外土壤潮濕可以加大導熱系數,如果土壤潮濕或地下水位高,土壤接近飽和,那么導熱率將會提高。    2.4土壤源熱泵特點    2.4.1輔助動力少    評價土壤源熱泵系統性能的參數之一是輔助動力,它是系統經濟性的重要因素之一。室外設備不需要其他能量,僅設置管道泵作為水循環的動力。水流速度是決定泵容量的主要因素之一。為了保證充分的熱交換和地下管道的水力平衡,地下埋管系統嚴格控制臨界速度,因為水流處于層流狀態,傳熱會惡化,甚至由于水流速度慢,會出現氣塞現象,氣塞會造成水利不平衡。而在紊流狀態下增加流速不會對傳熱帶來多大的改善,因為此時的熱阻主要由管道熱阻造成,水的熱阻相對來說很小,此時增加流速只會增加泵的容量。    2.4.2運行管理方便,運行狀況好    土壤源熱泵另一個優點是對設備的維護要求不高。首先這種系統減少了室外許多運轉設備,不需要冷卻塔、鍋爐這種長期維護設備。另外對于熱泵系統來說為了解決結霜問題,人們不得不采用電加熱等方式,除霜融霜后的設備突然啟動就更危險。而熱泵系統與大地接觸,與大地換熱保證了不會結霜。系統運轉部件少則系統噪音小,這很適用于對噪音有要求的住宅、醫院、學校等地區。     2.5土壤源熱泵與傳統中央空調的比較分析    2.5.1節能性分析    傳統的空調系統采用風冷或水冷換熱器,其換熱環境直接或間接為大氣,而大氣換熱不可避免的受到環境條件變換的影響。在夏季,當室外溫度達到40℃時,由于換熱效率降低,冷量將下降20%-40%。在冬季,當氣溫下降到-10℃時,供熱量將下降到15%-30%,而且要反復地除霜來保證機組的正常運行。土壤源熱泵是一種利用可再生能源,經濟有效的節能技術。它通過介質和大地地表淺層(通常小于400米深)換熱。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器,收集了47%的太陽能。相當于人類每年利用能量的500多倍。且不受地域資源等限制,是真正的量大面廣,無處不在。這是儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源。土壤溫度全年基本穩定且略低于年平均氣溫,可以分別在夏冬季提供相對較低的冷凝溫度和較高的蒸發溫度。所以從熱力學原理上講,土壤是一種比環境空氣更好的熱泵系統的冷熱源。而且土壤源熱泵系統不會把熱量、水蒸氣及細菌等排入大氣環境。符合當前可持續發展的戰略要求。    2.5.2環境效益分析    夏季,風冷機組和水冷機組均將廢熱排入大氣,使室外溫度升高;并且水冷機組還將水蒸氣帶入大氣中,冷卻塔的噪音及霉菌污染使周圍環境更差;在冬季,風冷、水冷機組吸收環境中的熱量導致惡劣大氣環境更加惡劣。土壤源熱泵的污染物排放和空氣源熱泵相比減少40%以上,與電供暖相比減少70%,如果結合其他節能措施節能減排會更明顯。雖然也采用制冷劑,但比常規空調減少25%的用量,土壤源熱泵系統沒有冷卻塔等其他設備,為開發商節省了土地使用面積并改善了建筑物外部形象。    2.5.3技術性分析    采用土壤源熱泵系統由于土壤的溫度比室外空氣更接近室內空氣的溫度,若設計合理,土壤源熱泵比風冷熱泵更具有高的效率(如表3所示)。而且土壤源熱泵系統可用來供暖、空調、提供生活用水,一套系統可替換制冷鍋爐空調等裝置,一機多用。土壤源系統的COP值一般在3-6左右,比傳統空氣源系統相比要高出40%,其運行費用是普通中央空調的50%-60%。               2.5.4經濟性分析    由于能量轉換和傳送過程不同,土壤源熱泵技術省去了產生熱水和冷凍水的過程,提高了機組的轉換效率,所以土壤源熱泵技術換熱效率更高,運行費用更低。與傳統采暖和制冷技術相比其節省率供暖時在50%-70%之間,制冷時在40%-60%之間。并且系統工作穩定,不會出現傳統設備中制冷劑壓力過高或過低的現象,沒有室外裝置(冷卻塔、屋頂風機等),其維護費用大大低于中央空調(如表4所示),另外土壤源泵系統利用靈活,減少了投資。                3、結論    土壤源熱泵系統應用方面還有許多值得探討的問題。一方面理論研究還不夠深入,關于地埋管數學模型、土壤特性模擬都還處于試驗階段。另一方面是施工技術有相當大的難度,這類系統不同于其他空調系統,涉及到鉆探工程是系統的關鍵。目前,此類系統造價較高,因為僅鉆探工程需要消耗60%的投資。但是隨著計算機技術的發展和國家政策的鼓勵以及各方面人才的加入,我們相信,土壤源熱泵系統肯定有更好的將來。    參考文獻:略  
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