地源熱泵開(kāi)發(fā)利用需要注意的若干問(wèn)題-2019年精選文檔

1、地源熱泵開(kāi)發(fā)利用需要注意的若干問(wèn)題Some issues needs to pay attention on development and utilization of ground source heat pumpGao Li1, Ma Yan-hong 2(1. Shandong Gold Real Estate Turism Co., Ltd Zibo Shandong 255000;2. Zibo City Architecture Design Institute ZiboShandong 255000)【】 Ground source heat pump with its ene

2、rgy-saving, environmental protection and efficient advantage by the air-conditioning industrys favor in recent years there have been great. But most of the actual project, the system design and construction of a large number of issues need to be studied and resolved, this article on a few key questi

3、ons for preliminary research for purposes of information.1. 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 埋管換熱器模型研究。(1) 單個(gè)地下埋管換熱器的模型。 目前國(guó)內(nèi)外求解地下?lián)Q熱器傳熱時(shí)使用最為廣泛的是線熱 源和柱熱源理論。 它們是將埋管換熱器等價(jià)為一個(gè)線熱源或者圓 柱型熱源 , 這種簡(jiǎn)化對(duì)于真正這樣的熱源才完全正確。由于埋管 換熱器中兩支管傳熱是不對(duì)稱的 , 這兩種方式的簡(jiǎn)化處理雖然可 以使問(wèn)題大為簡(jiǎn)化 , 但卻無(wú)法準(zhǔn)確描述埋管換熱器的傳熱情況 , 無(wú)更好的方法研究影響它傳熱效率的因素。除了線熱源和柱熱源理論以外 , 還有能量平衡原理的數(shù)學(xué)模 型。

4、但對(duì)于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的工程來(lái)說(shuō) , 普遍是按照線熱源模型進(jìn)行設(shè) 計(jì)或是模擬的 ,這種方法簡(jiǎn)單易懂 ,且適用于工程計(jì)算 , 但是隨著 行業(yè)的發(fā)展 , 埋管換熱器的傳熱模型必將會(huì)更加準(zhǔn)確和嚴(yán)謹(jǐn)。(2) 地下埋管換熱系統(tǒng) ( 管群)的研究。 現(xiàn)有的埋管傳熱模型都是針對(duì)單個(gè)埋管換熱器的傳熱和溫 度場(chǎng)的研究 , 基本都能夠模擬單個(gè)埋管換熱器的傳熱情況。而地 源熱泵工程中常常有多個(gè)甚至有上百個(gè)埋管換熱器組成埋管換 熱系統(tǒng)來(lái)完成最終的換熱 , 各個(gè)埋管換熱器之間必然會(huì)相互的影 響, 現(xiàn)有的模型沒(méi)有給出描述他們之間相互影響的辦法。從以上分析來(lái)看 , 能夠完成多個(gè)埋管換熱器溫度場(chǎng)的分析和 模擬對(duì)實(shí)際工程更有意義。 目

5、前較多的研究方法有兩種。 一是疊 加方法 , 在各種單個(gè)埋管換熱器溫度場(chǎng)的研究基礎(chǔ)上 , 對(duì)多個(gè)埋 管換熱器的溫度場(chǎng)進(jìn)行溫度的疊加。 其基本依據(jù)是每個(gè)埋管換熱 器所產(chǎn)生的溫度場(chǎng)是相對(duì)獨(dú)立的 , 溫度的變化與熱流密度成線性 關(guān)系 ,包含在換熱孔分布范圍內(nèi)的任何位置的溫度均可以根據(jù)線 性問(wèn)題的疊加原理得到。一種方法是內(nèi)熱源法 35, 將換熱器看 成等效的內(nèi)熱源 , 將換熱器直接以熱源的形式表示在控制方程中 而不再作為熱流條件。 對(duì)土壤內(nèi)傳熱 , 換熱器冬季從土壤中吸熱 , 熱源項(xiàng)為負(fù)。夏季向土壤中排熱 , 熱源項(xiàng)為正。這種方法不考慮 換熱孔內(nèi)復(fù)雜的情況 , 簡(jiǎn)化了對(duì)孔內(nèi)復(fù)雜傳熱情況的研究。將整 個(gè)

6、埋管換熱系統(tǒng)溫度場(chǎng)看成是一個(gè)整體來(lái)求解 , 避免了煩瑣的疊 加計(jì)算。在一定程度上簡(jiǎn)化了埋管換熱系統(tǒng)溫度場(chǎng)的模擬計(jì)算。1.2 地下埋管換熱器換熱參數(shù)的確定。埋管換熱參數(shù)可根據(jù)以上提供的理論模型進(jìn)行計(jì)算 , 其結(jié)果 也能在一定程度上反映地下埋管換熱器的換熱量。其實(shí) , 地下埋 管換熱器的換熱量受諸多因素的影響 ,如土壤溫度 ,土壤性質(zhì) ,是 否有地下水等。地下埋管換熱器的換熱過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程 , 不能單單通過(guò)假設(shè)和理論進(jìn)行計(jì)算 , 還要利用測(cè)試技術(shù)進(jìn)行換熱 能力的試驗(yàn)。 換熱試驗(yàn)通常要求分別進(jìn)行地下埋管排熱和取熱工 況, 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理 ,從中得到所需要的排熱量和取熱量參 數(shù)。同時(shí)還要測(cè)試

7、在多個(gè)埋管相互影響作用下 , 地埋管的換熱量 參數(shù)。測(cè)試得到地埋管換熱量參數(shù)可以作為設(shè)計(jì)參數(shù) , 再進(jìn)行地 埋管換熱系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)。1.3 地下埋管換熱器的計(jì)算。埋管換熱系統(tǒng)的數(shù)量要由建筑的負(fù)荷和熱泵的效率而定, 埋管換熱系統(tǒng)所承擔(dān)的換熱量夏季是建筑的負(fù)荷與熱泵耗功的和 , 冬季是建筑的負(fù)荷與熱泵耗功的差。 埋管換熱器的換熱量與巖土 體的初始溫度、巖土體的熱物性、埋管換熱器的形式、熱泵系統(tǒng) 的運(yùn)行模式等有關(guān)。 現(xiàn)在一般的埋管換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只是計(jì)算在 建筑最大負(fù)荷下埋管的長(zhǎng)度 , 這種設(shè)計(jì)方法在一定程度上能夠滿 足設(shè)計(jì)要求 , 但是這種方法存在一定的誤差 , 其實(shí)埋管換熱器的 換熱性能還與運(yùn)行時(shí)

8、間等因素有關(guān)。 因此建議采用模擬的方法進(jìn) 行埋管換熱器的設(shè)計(jì) ,通過(guò)數(shù)十年的模擬計(jì)算 , 真正得到埋管換 熱系統(tǒng)的數(shù)量。1.4 地下埋管換熱器布置方式。 地埋管換熱器的布置方式包括埋管方式和各個(gè)埋管換熱器 的聯(lián)結(jié)方式。埋管方式一般包括水平埋管和垂直埋管 , 主要是由 場(chǎng)地大小、 土壤類(lèi)型以及挖掘成本而定。 如果挖掘成本較低而且 場(chǎng)地足夠大 , 則水平埋管較為經(jīng)濟(jì) ;通常情況下建筑商用地寸土 寸金,所以不會(huì)有很大的空地可以用于埋管的布置 , 這時(shí)候就只 能用垂直埋管的形式。換熱器的聯(lián)結(jié)方式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種 , 串 聯(lián)系統(tǒng)是將各個(gè)換熱器頭尾依次連起來(lái) , 管中的流體只能沿著一 個(gè)通道流動(dòng) , 有時(shí)

9、候這樣是為了獲得加大的溫差 ; 并聯(lián)系統(tǒng)是將 所有的換熱器并聯(lián)到一個(gè)或者幾個(gè)干管上 , 通過(guò)干管的分配將流 體均勻的分配到每個(gè)埋管換熱器中 , 這樣單個(gè)換熱器的損壞不會(huì) 影響到這個(gè)換熱系統(tǒng)的使用 , 系統(tǒng)安全性比較高。以上兩種換熱 系統(tǒng)的布置形式需要根據(jù)項(xiàng)目的具體情況而定。1.5 埋管間距的確定。埋管換熱器在土壤中吸熱或放熱引起周?chē)寥罍囟鹊淖兓?, 如果將單個(gè)埋管換熱器作為一個(gè)熱源 ,那么在徑向上 , 根據(jù)傳熱 學(xué)原理 , 隨著與熱源距離的增大 , 土壤的溫度變化也將越來(lái)越不 明顯 , 在一定計(jì)算精度范圍內(nèi)必然存在一個(gè)區(qū)分土壤溫度是否受 擾動(dòng)的界面 , 此界面到埋管換熱器中心的距離稱之為熱作

10、用半 徑。一般在埋管換熱系統(tǒng)當(dāng)中存在許多個(gè)埋管換熱器 , 為了提高 換熱器的換熱性能 , 就要盡量減少他們之間的相互干擾 , 一般意 義上說(shuō)各個(gè)換熱器之間距離要大于 2 倍作用半徑 , 但是在現(xiàn)實(shí)的 條件下 , 這個(gè)距離有時(shí)候很難保證 , 目前工程上所推薦的距離是 46m由于項(xiàng)目所在地區(qū)地質(zhì)條件各有不同，實(shí)際設(shè)計(jì)埋管間距 要根據(jù)換熱孔測(cè)試結(jié)果來(lái)確定。1.6 地埋管材質(zhì)的選擇。用于地下埋管換熱器的材料應(yīng)有良好的導(dǎo)熱性能、 較高的抗 壓強(qiáng)度和抗腐蝕性。在地源熱泵剛剛興起的時(shí)期 , 工程上普遍采 用銅管，管徑在2040 mn左右。銅管的導(dǎo)熱性能好，抗壓強(qiáng)度高， 但價(jià)格較高且抗腐蝕性差。 隨著塑料的興

11、起和大發(fā)展 , 到 70 年代 后期,一般改用塑料管:聚乙烯管(PE)、聚丁烯管(PB)和聚氯乙烯 管(PVC),塑料管的壽命普遍可以達(dá)到50年以上。由于塑料管的耐腐蝕性和較低的價(jià)格大大延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用壽命并降低了系 統(tǒng)的初投資。雖然塑料管的導(dǎo)熱性能比銅管要差的多 , 但是對(duì)于 土壤中埋管換熱器的總熱阻來(lái)說(shuō) , 管道熱阻的影響只是很小的一 部分 , 最主要的還是土壤的熱阻 , 管道材料對(duì)于整個(gè)埋管換熱系 統(tǒng)的換熱特性沒(méi)有改變性的影響 , 所以使用塑料管非常適合。目 前工程上常用的地下埋管材料為高密度聚乙烯管(HDPE)。2. 水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 水量問(wèn)題。 在地下水地源熱泵的眾多因素中水量

12、是決定水源熱泵系統(tǒng) 是否能正常工作的關(guān)鍵因素 , 需水量的多少由該項(xiàng)目負(fù)荷與熱泵 機(jī)組的性能決定 , 水量必須滿足負(fù)荷要求。 如果水量有少量不足 , 可利用輔助熱源或冷源 ;如水量卻是不能滿足負(fù)荷的要求 , 說(shuō)明 水源熱泵不適合 , 應(yīng)考慮其他方案。因此水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第 一步是請(qǐng)專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍對(duì)項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)地下水條件進(jìn)行調(diào)查 , 了解是否 有合適的水源可以被水源熱泵系統(tǒng)所使用 ,通過(guò)水資源論證 , 確 定利用地下水的利用方案。2.2 水質(zhì)問(wèn)題。地下水由于長(zhǎng)期處于較為封閉地層中且與礦物質(zhì)接觸較多 , 所以具有一定的腐蝕性。 地下水水質(zhì)會(huì)影響水源熱泵機(jī)組的使用 壽命和效率。根據(jù)水質(zhì)的不同可以采用直接式

13、和間接式系統(tǒng) , 無(wú) 論采用以上那種系統(tǒng) ,都會(huì)對(duì)設(shè)備有一定的腐蝕 , 增加系統(tǒng)的不 穩(wěn)定性。采用耐腐蝕材質(zhì)的換熱器 , 投資成本又會(huì)大大增加 , 所以 水質(zhì)是水地源熱泵應(yīng)用的一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。 一般工程上對(duì)地 下水水質(zhì)的基本要求是 : 水體基本澄清、 水質(zhì)較穩(wěn)定、 不易腐蝕、 無(wú)滋生微生物或生物、不生結(jié)垢等。2.3 抽灌井的設(shè)計(jì)。開(kāi)采地下水會(huì)造成地下水資源的浪費(fèi) , 因此在采用地下水地 源熱泵系統(tǒng)時(shí) ,抽取的地下水在提取能量后必須要回灌 , 且應(yīng)保 證同層同質(zhì)回灌 , 做到盡量不影響原有地下水儲(chǔ)量和水質(zhì)條件。顆粒較細(xì)的地層中 ,回灌有一定的難度 ,需要采用一井抽水 , 多井 回灌的方式增大

14、回灌量 , 盡可能將所抽地下水完全回灌到原含水 層中。還可以采用抽灌交替使用的方式來(lái)增加水井的使用壽命 , 而在投資上僅僅是增加了一小部分潛水泵的費(fèi)用 , 這樣即保證了 熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行 , 又改善了抽灌井的抽水和回灌條件 , 保護(hù)了地下水資源。3. 安全及環(huán)保問(wèn)題3.1 防凍液對(duì)人的危害。在地埋管地源熱泵系統(tǒng)中 , 有時(shí)通過(guò)向埋管循環(huán)水中加適量 防凍液的方法來(lái)提高埋管換熱器換熱量 , 但是這種做法容易對(duì)周 圍環(huán)境和工人產(chǎn)生不利影響。向埋管換熱器環(huán)路充注防凍液時(shí) , 人暴露在防凍液彌漫的環(huán)境中。在溶液配置過(guò)程中 , 工人有可能 吸入粉末或有毒蒸氣 ,人體的皮膚或眼睛可能受到傷害 , 利用

15、面 罩或工作服等防護(hù)措施可以消除這些危險(xiǎn)。 市場(chǎng)上防凍液的種類(lèi) 很多,在設(shè)計(jì)之初就要對(duì)防凍液的毒性有所了解 ,一般的講 , 防凍 液的毒性可以從以下三個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià) :(1) 通過(guò)呼吸進(jìn)入人體造 成的危害 ;(2) 誤服對(duì)人體造成的危害 ;(3) 長(zhǎng)時(shí)間的暴露于防凍 液的環(huán)境中對(duì)人體造成的危害。防毒液中甲醇是毒性最大 , 長(zhǎng)時(shí) 間的處于高濃度的甲醇環(huán)境中 , 會(huì)導(dǎo)致頭痛、惡心、失明甚至死 亡。誤服喝下少量也可能導(dǎo)致失明甚至死亡 , 故, 必須配備必要的 防護(hù)設(shè)備。除了甲醇 ,乙二醇是采用比較普遍的一種防凍液 , 是一 種有甜味無(wú)色的液體 ,誤服會(huì)有一定的毒性 ,在灌注時(shí) ,最好能夠有一定的防護(hù)措

16、施。3.2 地面沉降。在地下埋管地源熱泵和地下水地源熱泵系統(tǒng)中 , 都存在著引 發(fā)地面沉降的可能。地埋管地源熱泵中 , 如果能夠做好埋管換熱 器的回填工作 ,則引發(fā)地面沉降的可能性不大 ; 在地下水地源熱 泵系統(tǒng)中 , 對(duì)取水量、回灌量和含水層的確定是是否引發(fā)地面沉 降的主要因素。只開(kāi)采而不進(jìn)行回灌是地面沉降的主要原因, 通常水源熱泵系統(tǒng)需要的地下水量比較大 , 如果只抽取地下水不進(jìn) 行回灌 , 含水層中的抽取量大于自然補(bǔ)給量 , 很快會(huì)造成該含水 層中水量減少 , 含水層上下部的壓力不均衡 ,當(dāng)含水層不足以承 擔(dān)上部壓力時(shí) , 引發(fā)地面沉降。另外由于施工或者運(yùn)行過(guò)程造成 回灌困難或者不能保證

17、同層回灌也有引發(fā)地面沉降的可能。因此在地源熱泵實(shí)施先必須徹底的摸清地下含水層情況, 確定安全的取水層、取水量和回灌量 , 盡量避免過(guò)量開(kāi)采和越層開(kāi) 采, 防止地面沉降的發(fā)生。3.3 地下水溫的改變。在地下水地源熱泵系統(tǒng)中 , 將升溫或降溫的水回灌到地下含 水層中。夏季回灌的水溫度高于周?chē)沫h(huán)境 , 會(huì)向周?chē)h(huán)境釋放 一定的熱量 , 同時(shí)周?chē)目諝饣蛩w的溫度也相應(yīng)的升高 , 從而 改變了周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境 , 影響環(huán)境中生物的生長(zhǎng)。冬季回灌的水 溫較低 , 同樣會(huì)改變周?chē)臏囟拳h(huán)境 , 也會(huì)帶來(lái)相同的影響。3.4 土壤溫度的改變。地下埋管換熱器會(huì)向周?chē)耐寥乐嗅尫艧崃炕蚴菑闹車(chē)?土壤中吸收熱量

18、,從而導(dǎo)致局部土壤溫度改變 , 通過(guò)埋管換熱模 擬及實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) ,地埋管運(yùn)行長(zhǎng)時(shí)間后 , 土壤溫度通常 都會(huì)有一定的升高。土壤溫度的升高會(huì)造成一下危害 : 一是地溫 升高會(huì)使增強(qiáng)越冬類(lèi)昆蟲(chóng)的繁殖能力 ,使病蟲(chóng)害增加 ; 一是近地 表地溫升高加快土壤的干燥過(guò)程 , 土壤的干燥會(huì)使微生物失去生 存的環(huán)境 ,從而引生態(tài)危害。 因此在地埋管的設(shè)計(jì)時(shí) ,要將土壤熱 平衡考慮其中 ,盡量采用其他的輔助方式分擔(dān)建筑的負(fù)荷 , 減小 取排熱量不平衡造成的土壤溫度變化。4. 政策問(wèn)題 熱泵的發(fā)展不僅與國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)總體發(fā)展及熱泵本身技術(shù) 進(jìn)展有關(guān) , 還與能源的結(jié)構(gòu)與供應(yīng)、 環(huán)境治理的需求有關(guān) , 特別是 與政府的政策導(dǎo)向密切相關(guān)。 我國(guó)在新能源利用特別是淺層地溫 能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)方面有相關(guān)的推動(dòng)政策和措施。 淺層地溫能的推 廣了利用有了政策的支持將更加快速的發(fā)展。 政