鄭州地區(qū)土壤源熱泵建筑應(yīng)用的可行性分析

1、鄭州地區(qū)土壤源熱泵建筑應(yīng)用的可行性分析0建筑節(jié)能BuildingEnergySaving鄭州地區(qū)土壤源熱泵建筑應(yīng)用的可行性分析1前言王春喜(鄭州市建筑節(jié)能與墻體材料革新辦公室.鄭州450006)【摘要】介紹鄭州市淺層地?zé)崮苜Y源的分布特點(diǎn)和巖土體地質(zhì)概況,分析土壤源熱泵適宜的地質(zhì)條件及鄭州地區(qū)應(yīng)用土壤源熱泵技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì).并從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面分析鄭州市推廣應(yīng)用地源熱泵技術(shù)的可行性.提出了該地區(qū)不同區(qū)域應(yīng)用土壤源熱泵技術(shù)的適宜程度及應(yīng)注意的問(wèn)題.【關(guān)鍵詞】鄭州市;巖土體;土壤源熱泵;可行性分析隨著人們生活水平的提高.中央空調(diào)的能耗占總能耗的比重不斷增加.而中央空調(diào)的能耗中絕大部分消耗在冷熱源上.

2、因此.國(guó)內(nèi)外廣大業(yè)內(nèi)人士一直在努力尋求高效節(jié)能環(huán)保的空調(diào)冷熱源.建造綠色建筑土壤源熱泵系統(tǒng)是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源(也稱(chēng)地能,包括地下水,土壤或地表水等),通過(guò)輸人少量的高位能(如電能),將低溫位能向高溫位能轉(zhuǎn)移.以實(shí)現(xiàn)既可供熱又可制冷的高效節(jié)能的綠色空調(diào)系統(tǒng).具有廣闊的應(yīng)用前景.鄭州地區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源豐富.推廣應(yīng)用土壤源熱泵技術(shù)具有得天獨(dú)厚的條件.筆者通過(guò)廣泛收集和研究以往不同區(qū)域巖土層結(jié)構(gòu)及分布,巖土層溫度分布等資料.分析得出鄭州市不同區(qū)域淺層地溫場(chǎng)及淺層水文地質(zhì)條件的特征結(jié)合土壤源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的巖土體地質(zhì)條件及已完成的工程案例分析.論證了鄭州市巖土體地質(zhì)條件對(duì)于土壤源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的適宜

3、性.為在建筑中大規(guī)模推廣應(yīng)用土壤源熱泵系統(tǒng)提供可靠依據(jù).也可為市政府進(jìn)行相關(guān)決策和編制地區(qū)地源熱泵應(yīng)用發(fā)展規(guī)劃提供參考2鄭州地區(qū)巖土體地質(zhì)條件及建筑應(yīng)用可行性分析2.1巖土體地質(zhì)條件2.1.1巖土層結(jié)構(gòu)及分布鄭州市區(qū)地層屬華北地層區(qū)華北平原分區(qū),區(qū)內(nèi)出露地層以第四系為主,約占鄭州市總面積的99%,僅在市區(qū)西南三李,奶奶硐溝一帶零星分布有寒武系中上統(tǒng),石炭系中上統(tǒng),二疊系上統(tǒng)及新近系南陽(yáng)路以東巖性上部全新統(tǒng)沖積粉土和中細(xì)砂.厚10m20m,中部為上更新統(tǒng)沖積中細(xì)砂,中砂互層砂土比40%60%.南陽(yáng)路以西巖性上部為上更新統(tǒng)黃土狀土,中下部為中更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土與中細(xì)砂互層.砂土比30%-40%.其中.

4、埋深30m-40m,80m100m處有厚度不等的膠結(jié)砂巖.致密堅(jiān)硬,鉆孔難度大.2.1.2巖土層熱物性分析(1)試驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果經(jīng)鉆孔取樣試驗(yàn)室測(cè)定各巖土層的熱物性參數(shù).結(jié)果見(jiàn)表1(2)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)鄭州市區(qū)不同區(qū)域巖土體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)垂直埋管試驗(yàn),其結(jié)果為:經(jīng)模擬計(jì)算,換熱孔的影響半徑為3m左右;地層的容積比熱容為1.92x106j/(m3?K);地層導(dǎo)熱系數(shù)為1.8W/(m.K)2.1W/(m.K),地層總熱阻約為0.112m?K/W;每延米地層的平均換熱系數(shù)范圍為8.89W/(m?qC)9.20W/(m?);雙u管每延米換熱孔的排熱量約為76W/m左右:每延米換熱孔的取熱量約為48W,m由此可見(jiàn)

5、,鄭州市的地層換熱性能好,靜默地溫適中;雙U管孔深平均換熱系數(shù):8.89W/(m.該地區(qū)地層換熱條件好,孔深平均換熱系數(shù)屬偏高水平,同時(shí),地層靜默溫度較高,達(dá)到16.1oC.此溫度對(duì)于冬季采暖及夏季制冷均較為有利該地區(qū)如考慮使用地埋管地源熱泵系統(tǒng).則可設(shè)計(jì)”淺孔”.以回避鉆井施工成本問(wèn)題.2.1.3巖土體溫度分布(1)分布特點(diǎn)從以往所做的市區(qū)326個(gè)淺層地溫測(cè)點(diǎn)的資料和淺層地溫平面等值線圖(圖1)可以看出.鄭州市區(qū)的巖土體溫度分布具有以下特點(diǎn):.最大淺層地溫溫差達(dá)7.5cc:18之間.大于l8區(qū)段分布零星,主要位于城區(qū)西南部,東北部和花園路,人民路沿線;地溫小于17區(qū)主要分布于城區(qū)西北部,東南

6、部和文化路地段;.全年溫度變化不超過(guò)0.5C.最后選用鄭州市恒溫帶深度為27m,恒溫帶溫度17.恒溫帶以下lOOm淺地下水水溫一般在l720,東郊地下水水溫一般為16左右.棉紡區(qū)一帶.地下水長(zhǎng)期受冬灌夏用影響,地下水水溫偏低,一般只有1618,且回灌中心低,向周邊漸高.西部地下水補(bǔ)給區(qū)地溫場(chǎng)梯度較大.而東部下游區(qū)地溫場(chǎng)梯度則較小.鄭州市東北郊.淺層含水層為黃河沖積物.埋藏較淺,顆粒較粗且松散,導(dǎo)水性能好,黃河側(cè)滲補(bǔ)給強(qiáng)烈,加上這里新生界厚度達(dá)1500m以上.故淺層地溫場(chǎng)溫度較低,梯度較小,60m以上淺層地下水溫度只有15l6oC.2OOm深的中深井地下水溫也只有1718.淺層地溫梯度1地?zé)崮苜Y

7、源計(jì)算評(píng)價(jià)(1)大地?zé)崃髁糠ㄓ?jì)算淺層地?zé)崮芸衫昧坑?jì)算公式為:Qh=aqMx10式中:Q一淺層地?zé)崮芸衫昧?kW);淺層地?zé)崮芸衫孟禂?shù):口一大地?zé)崃髦?mW/m2);一計(jì)算面積(m2).鄭州市區(qū)大地?zé)崃髦蛋赐跣牧x開(kāi)封凹陷區(qū)地溫場(chǎng)特征及成因機(jī)制探討文中提到的平均q=54.819mW/(m2?a),淺層地?zé)崮芸衫孟禂?shù)為單位面積提取利用的熱量與大地?zé)崃髦档谋戎?單位面積提取利用的熱流量按鄭東新區(qū)民航花園等項(xiàng)目實(shí)測(cè).每延米換熱孔的取熱量為48W,m.單孔雙U埋地管孔深160m,孔間距4m,單孔取熱量為7680W.單位面積取熱量為480W/m2.則淺層地?zé)崮芸衫孟禂?shù)為a=8.76.市區(qū)計(jì)算區(qū)面積

8、M=330km2=3.3x108m2.則淺層地?zé)崮芸衫昧繛?58470.8kW.這是采暖期的利用量.在1個(gè)水文年達(dá)到熱均衡的條件下.該量是可持續(xù)利用的.(2)熱儲(chǔ)法計(jì)算評(píng)價(jià)地?zé)崮軆?chǔ)存量計(jì)算評(píng)價(jià)的深度范圍為:在恒溫帶以下至200m埋深內(nèi),鄭州市恒溫帶深度27m.熱儲(chǔ)法可以不計(jì)包氣帶內(nèi)熱儲(chǔ)量.只計(jì)算含水層和相對(duì)隔水層的熱儲(chǔ)量.計(jì)算公式為:QR:=Qs+Qw式中:Q一地?zé)崮軆?chǔ)存總量(kJ);9廣巖土體中熱儲(chǔ)存量(1(J);0建筑節(jié)能BuildingEnergySavingp曠一巖土體所含水中的熱儲(chǔ)存量(kJ).其中,Qs=psCs(1一)MdAT式中:p廣巖土體密度(kg/m3);一巖土體比熱容k

9、J/(kg?)】;一巖土體孔隙率;一計(jì)算面積(m2);d一計(jì)算厚度(in):T一利用溫差(oC).按試驗(yàn)資料平均,Ps=2004kg/m3,Cs=1.56kJ/(kg?),=0.21,M=3.3xlOSm2,d=200-27=173m,AT=8.代入上式計(jì)算得Qs=1.13xlO51d.Qw的計(jì)算公式為:QWC式中:pw-lOOOkm:Cw=4.18kJ/(kg?/1OOm之間變化.地溫穩(wěn)定性好.(5)市區(qū)在地下100m以上的巖土層中密度較高的層面約占90%左右.因此.該地層巖土體的蓄熱能力較強(qiáng).地?zé)岽尜A能力較大.這也是淺層地?zé)崮茉撮_(kāi)發(fā)利用的有利因素根據(jù)以上分析可以認(rèn)為.鄭州市淺層巖土體的溫度

10、品質(zhì)對(duì)于開(kāi)發(fā)淺層地?zé)崮苁欠浅＿m宜的3鄭州地區(qū)應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析3.1技術(shù)分析城市建筑供冷供熱的方法很多,從技術(shù)方面講,與空氣源熱泵技術(shù),水冷冷水機(jī)組空調(diào)技術(shù)相比較,地源熱泵技術(shù)的冷(熱)源的技術(shù)參數(shù)比提供給空氣源熱泵技術(shù),水冷冷水機(jī)組空調(diào)技術(shù)的冷熱源技術(shù)參數(shù)優(yōu)良得多.根據(jù)鄭州地區(qū)的自然條件對(duì)比如下:(1)制冷工況下.地源熱泵機(jī)組的冷卻水水溫一般不超過(guò)20.而空氣源熱泵機(jī)組的冷卻風(fēng)溫一般在35cI二45左右.可見(jiàn),地源熱泵機(jī)組的冷卻溫度很低,其制冷性能系數(shù)EER是常規(guī)空調(diào)模式中最高的(2)制熱工況下.地源熱泵機(jī)組的熱源溫度一般在l6左右.而且在整個(gè)空調(diào)供熱季節(jié)十分穩(wěn)定,大氣環(huán)境溫度

11、的變化對(duì)其影響很小.而空氣源熱泵機(jī)組的熱源風(fēng)溫最低可達(dá)一l0.并隨大氣環(huán)境溫度不斷變化.相比之下,地源熱泵的制熱能效比COP可達(dá)到較高水平.運(yùn)行工況時(shí)基本可以達(dá)到熱泵機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)工況下的制熱能力而空氣源熱泵在空氣溫度低到一7時(shí).機(jī)組的制熱能力比標(biāo)準(zhǔn)工況時(shí)最多可下降30%.3.2經(jīng)濟(jì)分析從以上技術(shù)分析可以看出.無(wú)論制冷還是制熱.地源熱泵技術(shù)的制冷,制熱性能系數(shù)(EER/COP)都是最高的.而且都能達(dá)到甚至超過(guò)了機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)工況下的制冷,制熱量.因此,同一規(guī)模的空調(diào)工程,地源熱泵系統(tǒng)的裝機(jī)容量要比空氣源熱泵裝機(jī)容量(含熱泵機(jī)組,管網(wǎng),末端)少30%左右,直接反映在工程一次投資上可以認(rèn)為.地源熱泵系統(tǒng)可

12、比空氣源熱泵系統(tǒng)56墻材革新與建筑節(jié)能2011.1節(jié)省30%左右的初投資.從運(yùn)行情況和運(yùn)行費(fèi)用來(lái)看.土壤源熱泵技術(shù)在鄭州地區(qū)應(yīng)用也是經(jīng)濟(jì)可行的.下面以鄭州市某土壤源熱泵工程為例.分析項(xiàng)目的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性鄭州鐵路局物資總公司辦公樓.建筑面積為5700m2,選用地源熱泵機(jī)組SGHP6OO一臺(tái),進(jìn)行夏季制冷和冬季采暖.室外換熱器采用雙U垂直埋管.總換熱孔數(shù)為125個(gè).孔深90m.孔間距4.5m.2OO7年夏季建成并投入使用.目前已運(yùn)行3年多,冬,夏季的運(yùn)行效果均良好該系統(tǒng)夏季制冷費(fèi)用約0.13元/(d?m2).冬季采暖費(fèi)用0.09元/(d.m2),具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.綜上所述.鄭州地區(qū)采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)無(wú)論從技術(shù)還是經(jīng)濟(jì)方面分析.都應(yīng)當(dāng)是首選方案.隨著鄭州地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展.人民生活水平不斷提高,對(duì)夏季供冷,冬季供熱需求不斷增加,采用土壤源熱泵技術(shù)開(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)崮苓@一綠色環(huán)保工程將顯現(xiàn)出巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益4結(jié)論與建議根據(jù)以上對(duì)鄭州地區(qū)水文地質(zhì)自然條件,淺層地?zé)崮茉吹膬?chǔ)藏分布與品質(zhì)的調(diào)查分析認(rèn)為.鄭州地區(qū)巖土層的熱物性,蓄熱,放熱性能良好,儲(chǔ)能也很豐富.適宜于土壤源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用.但在選擇應(yīng)用時(shí)要根據(jù)不同區(qū)域的巖土體地質(zhì)條件差異.遵循以下原則:(1)從區(qū)域巖土體地質(zhì)條件可以看出,鄭東新區(qū)應(yīng)優(yōu)先考慮采用土壤源熱泵技術(shù),其次為西高新技術(shù)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū):市區(qū)中間地段.在巖土