地源和地下水源熱泵的研發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)用過程中的問題分析

1、FLUIDMACHINERYVol131,No15,200350文章編號:10050329(2003)05005005地源和地下水源熱泵的研發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)用過程中的問題分析張群力1王晉2(11西安交通大學(xué),陜西西安710049;21深圳沃爾瑪商業(yè)咨詢有限公司工程部,廣東深圳518000)摘要:概述了地源熱泵和地下水源熱泵的研究開發(fā)現(xiàn)狀;指出它與普通熱泵的區(qū)別;關(guān)鍵詞:地源熱泵;地下水源熱泵;太陽能中圖分類號:TH3文獻標(biāo)識碼:ARProblemAnalysisofGroundHeatandGroundwaterSourceHeatPumpZhangQunliWangJinAbstract:Thed

2、evelopmentofthegroundsourceheatpumpandgroundwatersourceheatpumpisdescribed;Thediffer2enceofthegeneralheatpumpwiththemispointedout;Theproblemandsolutionofthegroundsourceheatpumpintheapplicationpro2cesswithsomeexamplesisintroduceddetailedly.Keywords:ground2sourceheatpump;groundwater2sourceheatpump;sol

3、arenergy1前言目前國內(nèi)、外對地源熱泵或地下水源熱泵的優(yōu)點的報導(dǎo)很多,但是對該項技術(shù)在應(yīng)用中暴露出來的問題和困難的報導(dǎo)較少,本文以介紹國外的研究現(xiàn)狀和國外的一些施工和開發(fā)應(yīng)用經(jīng)驗來彌補國內(nèi)在這方面資料的不足,希望能對國內(nèi)地源熱泵的應(yīng)用有所借鑒和指導(dǎo)。2地源或地下水源熱泵的研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀211地源熱泵的研究熱點和關(guān)鍵技術(shù)20世紀90年代后,地源熱泵的研究熱點集的新型回填材料來強化埋管在土壤中的導(dǎo)熱過程,進而降低埋地換熱器的設(shè)計尺寸和初投資成本。(3)在熱泵系統(tǒng)與埋地換熱器的技術(shù)經(jīng)濟性能的匹配方面,不僅要對熱泵系統(tǒng)和埋地換熱器各自的性能進行優(yōu)化設(shè)計,還要對不同環(huán)境工況和地理工況下兩者的耦合特

4、性和最佳運行匹配參數(shù)進行分析,從而使得地源熱泵系統(tǒng)在技術(shù)性能和經(jīng)濟性能方面都能達到良好的匹配效果。地源熱泵系統(tǒng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)歸納為如下幾點:(1)地下埋管設(shè)備與熱泵機組的合理匹配和最佳運行參數(shù)的研究。(2)地質(zhì)情況、土壤溫度的分布情況、埋管的中在以下幾個方面:(1)在埋地換熱器的換熱機理方面,學(xué)術(shù)上更關(guān)心相互耦合的傳熱、傳質(zhì)模型的完善并采用計算流體動力學(xué)和計算機仿真技術(shù)來模擬實際的換熱過程。從而為埋地換熱器的優(yōu)化設(shè)計提供一個有利的工具和新的研究思路。(2)在強化換熱方面,一方面研究熱物性更好收稿日期:20020715布置形式和型號的設(shè)計對地下埋管換熱性能的影響情況。(3)地下埋管設(shè)備的性能對

5、熱泵機組性能的影響情況。(4)地下埋管設(shè)備與熱泵機組匹配的運行性能與經(jīng)濟性能的分析。2003年第31卷第5期流體機械51(5)對地下水源熱泵系統(tǒng)如何解決地下水的腐蝕及水處理問題。(6)土壤的性能研究包括土壤的能量平衡、熱工性能、土壤中的傳熱與傳濕和環(huán)境對土壤熱工性能的影響等。加強各種土壤和地層狀況的換熱過程的實驗研究和模擬分析。(7)研制土壤源、地下水源和地表水源、復(fù)合熱源及特殊熱源的新型高效的換熱形式和裝置。研究采用地能與太陽能、風(fēng)能等多種形式的能源聯(lián)合利用形式。(8)研究對常規(guī)熱泵裝置和系統(tǒng)更新和改造成地源熱泵系統(tǒng)的技術(shù)。(9)程中的制約因素和解決措施。(10)。(11)、地理工況下,地源

6、熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)的研究。212國內(nèi)外研究機構(gòu)和主要公司美國以及國外現(xiàn)已出現(xiàn)多家生產(chǎn)地源熱泵及供熱制冷系統(tǒng)的企業(yè)2,如Waterfurnace、GeothermalDX、Hydron、AmericanGeothermal、Geoex2change、Master等。國內(nèi)公司主要有清華同方人工環(huán)境工程公司和山東富爾達、煙臺荏原等公司。國內(nèi)從事地源熱泵研究的單位有清華大學(xué)工程力學(xué)系、天津大學(xué)地能研究中心、同濟大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、重慶大學(xué),山東建筑工程學(xué)院等高校。213工程應(yīng)用情況國外地源熱泵的商業(yè)應(yīng)用歷史較長。全美國在1989年安裝地源熱泵14000臺,在1997年則安裝45000臺,

7、目前已經(jīng)共安裝地源熱泵400000臺,并且每年的安裝數(shù)目以10%的速度增長。1998年美國商業(yè)建筑中地源熱泵系統(tǒng)已占空調(diào)總保有量的19%,其中在新建筑中占30%。美國地源熱泵工業(yè)已經(jīng)成立了由美國能源部、環(huán)保署、愛迪遜電力研究所及眾多地源熱泵廠家組成的美國地源熱泵協(xié)會(IGSHPA),該協(xié)會在近年中將投入1億美元從事開發(fā)、研究和推廣工作。在中、北歐地區(qū)如瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要利用淺層地?zé)豳Y源,采用地下土壤埋設(shè)盤管(埋深小于400m深)的水2水地源熱泵,用于室內(nèi)地板輻射供暖及提供生活熱水。據(jù)1999年的統(tǒng)計,在家用的供熱裝置中,地源熱泵所占比例在奧地利為38%、在丹麥為27%、在:瑞士

8、為96%。中國的地源熱泵的研究與應(yīng)用起步較晚,而且人們對此類熱泵系統(tǒng)的接受能力和滿意度都需要一定的時間。但是中國地源熱泵的發(fā)展前景卻被看好。近幾年來在山東、河南、湖北、遼寧、黑龍江、北京市及河北等地,已有100多個利用地下水的地源熱泵在實際工程中應(yīng)用,供熱、空調(diào)總面積約100萬m2域。清華同方、其中采用的新技術(shù)中就有利用熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)解決室內(nèi)的采暖降溫的問題,利用地源熱泵、太陽能熱水器、光電設(shè)施等將和建筑融為一體。示范樓總占地10000m2,建筑面積5000m2,主體建筑為七層框架結(jié)構(gòu),利用地溫保持四季常青。山東海陽富爾達公司與清華大學(xué)工程力學(xué)系聯(lián)合研制出富爾達地溫中央空調(diào)。1997年冬,遼

9、寧省遼陽市郵電局首先在50000m2的宿舍樓內(nèi)采用這套裝置。運行結(jié)果表明:冬季室內(nèi)溫度始終保持在18以上,最高可達25。第二年該郵電局又在新建的10000m2的宿舍樓里安裝了地源熱泵系統(tǒng)。由遼陽市郵電局3年的應(yīng)用結(jié)果可以得出:冬季供暖運行費用僅為當(dāng)?shù)丶泄┡M用的28%,3個冬季共節(jié)省費用約180多萬元。夏季制冷費用則更低。清華同方人工環(huán)境工程公司成功推出大型地表水源熱泵機組。水源熱泵機組以湖、河、地下水等水源為熱泵的冷熱源。在北京市的某辦公樓進行了試用,以附近12的地表水為水源,經(jīng)熱泵處理后,出水溫度可達5355,利用原有的暖氣管道,使室溫保持18以上,而運行費用僅相當(dāng)于燃煤鍋爐的2/3。煙

10、臺荏原空調(diào)設(shè)備有限公司與山東建筑工程學(xué)院地源熱泵研究所合作推出地源熱泵系統(tǒng)并成功地應(yīng)用在山東建筑工程學(xué)院學(xué)術(shù)報告廳的中央空調(diào)系統(tǒng)中,這是我國首次采用閉式環(huán)路地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。3地源或地下水源熱泵應(yīng)用過程中的不利因素和解決方法311地源熱泵系統(tǒng)常出現(xiàn)的故障特征歸類雖然地源熱泵系統(tǒng)具有很多的優(yōu)點,已經(jīng)成功的應(yīng)用在商用建筑和公共事業(yè)中,但是在地源FLUIDMACHINERYVol131,No15,200352熱泵的設(shè)計開發(fā)和安裝過程中仍然存在著許多問題需要解決,國內(nèi)由于地源熱泵的工程應(yīng)用實例較少,可參考的經(jīng)驗不夠豐富。本文以美國東北部地區(qū)的地?zé)嵯到y(tǒng)為例3。分析地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用中遇到的問題和解決

11、方法。通過對23頻繁自動保護例采用該項技術(shù)的建筑的研究發(fā)現(xiàn)有9例是由于設(shè)計和安裝的錯誤的引起的,與地?zé)峒夹g(shù)無關(guān),還有11例是由于技術(shù)力量缺乏和落后引起的,還有3例是由于施工引起的。地源熱泵系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的不利因素和常見故障特征如表1所示:回水井堵塞溢出地源換熱器地源換熱器熱泵內(nèi)部控制系統(tǒng)機械設(shè)計表1地源熱泵系統(tǒng)在工程應(yīng)用中的不利因素和常見故障特征冷天氣問題舒適性抱怨裝置問題運行費用裝置不合適防凍問題建筑密封控制問題熱泵壓熱泵換熱器建筑類型泄漏噪聲水流泵成人學(xué)習(xí)中心咖啡館社區(qū)大學(xué)小學(xué)1小學(xué)2小學(xué)小學(xué)5小學(xué)6圖書館車間車間和倉庫醫(yī)療中心市政府博物館辦公室1辦公室2郵局零售店餐飲店州立學(xué)校大學(xué)公用

12、事業(yè)場所總計<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<6<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<&

13、lt;<<<<<<812<<<<<<69<<<4224<<<<<<12<1218556(1)冷天氣問題該類問題主要與冬季惡劣的天氣有關(guān)。通常指在異常寒冷天氣工況下系統(tǒng)中某一獨立熱泵單元跳閘或整個系統(tǒng)執(zhí)行自動保護的現(xiàn)象。其它的故障包括由于未保護水管造成水管凍結(jié)、凍破或綜合建筑物內(nèi)部管路的損壞或供暖無效引發(fā)的室內(nèi)舒適性的問題。(2)舒適性抱怨。這類問題的原因包括系統(tǒng)沒有足夠的供冷、供熱能力滿足建筑物冷、熱負荷的需求,這可能與地?zé)嵩O(shè)備容量偏小、建筑物的密封性不佳、室內(nèi)空

14、氣分布系統(tǒng)設(shè)計不合理有關(guān)。(3)設(shè)備故障。該類問題主要指地?zé)嵩O(shè)備部分而不是熱泵設(shè)備部分,包括地?zé)釗Q熱器、井場、控制系統(tǒng),以及泵、閥、管道和其它輔助部件。(4)系統(tǒng)頻繁地執(zhí)行自動保護功能。水源熱泵具備執(zhí)行自動保護的功能,通常自動保護設(shè)定參數(shù)有一個或多個,例如水流量過低保護、制冷劑低壓或高壓保護、壓縮機排氣溫度過高保護、空氣流速過低、或熱泵生產(chǎn)廠家為其它的有害狀態(tài)而設(shè)定的保護參數(shù)。(5)泄漏。對水-水地源熱泵系統(tǒng),存在源側(cè)或源側(cè)與負荷側(cè)的水泄漏。發(fā)生的部位可能會出現(xiàn)在地下的集管、回路、供回水井的配件、分布在建筑物內(nèi)的管路、配件、機械裝置,也有個別建筑物出現(xiàn)內(nèi)部水漬情況,這與泄漏的位置有關(guān)。因200

15、3年第31卷第5期流體機械53此在設(shè)計系統(tǒng)時候應(yīng)該考慮盡可能的減少水漬出現(xiàn)的情況。(6)噪聲。如果系統(tǒng)設(shè)計時沒有考慮系統(tǒng)運行的噪聲水平是否符合建筑物的使用標(biāo)準(zhǔn),那么空氣噪聲和水流噪聲都可能會出現(xiàn)問題。因此有必要合理設(shè)計水的流速、管子的形狀和尺寸以及管路的固定吊架、風(fēng)道設(shè)計、占用的空間和有效隔離噪聲源。(7)運行費用。地源熱泵系統(tǒng)的主要運行費用包括用電費用、維修費用和管理費用。通常系統(tǒng)運行時的主要問題是實際費用超過設(shè)計階段時的預(yù)計費用。(8)回水井溢出或堵塞熱泵都會出現(xiàn)的問題。要比從地下取水困難(9)回風(fēng)管道全都固定在熱泵上的防振粱上,其次熱泵必須安裝在兩個不同的堅固的防振吊架上。案例3:社區(qū)大

16、學(xué)設(shè)備頻繁地執(zhí)行自動保護、集管泄漏、運行費用高是大多數(shù)工程應(yīng)用中出現(xiàn)的主要問題。引發(fā)這些問題的原因包括控制程序的不合理、集管使用的時間過長,更壞的情況是熱泵換熱器凍破。用戶、工程師、工程承包商和地源熱泵系統(tǒng)提供商之間的交流不夠充分是這類問題的主要原因。費用昂貴、4:,?？刂茻岜猛L(fēng)裝置的熱傳感器。解決方法是在通風(fēng)裝置的外部安裝一個恒溫器。2%的控制范圍使得教師和學(xué)生可以對室溫進行調(diào)節(jié)這樣就不會在設(shè)計室溫下出現(xiàn)太大的溫度波動的現(xiàn)象。案例5:小學(xué)、博物館、辦公室泄漏是出現(xiàn)的主要問題,還有舒適性的抱怨問題,防凍液與系統(tǒng)部件的不兼容性是一個主要的問題。防凍液采用的是乙酸鉀鹽和防銹劑的混合物來防止銹蝕,

17、這種化學(xué)物質(zhì)的表面張力較小,比水更容易從螺紋連接處泄漏。采用特殊的螺紋密封接頭可以減少泄漏。如果防銹劑與空氣接觸,則會表現(xiàn)出很強的腐蝕性,并且該種化學(xué)物質(zhì)對植被有破壞性,同時乙酸鉀鹽會在一周內(nèi)分解并對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。除非系統(tǒng)是專門為這種防凍劑設(shè)計的,否則建議在閉環(huán)地?zé)嵫b置中不要采用這種防凍劑。建筑物的裝修造成的熱損失超過預(yù)計值。開發(fā)商又多耗費了許多時間和資金來解決這個問題。案例6:餐飲店擴建工程在天氣寒冷的時候舒適性得不到保證、頻繁地執(zhí)行自動保護、回水井回灌時水溢出的問題。這些現(xiàn)象的原因是控制系統(tǒng)、井系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)機械設(shè)計等出現(xiàn)問題。對于回水井溢出問題是由于井出現(xiàn)冰堵或者井固結(jié)成巖層。有時存

18、在只要打好井就可以成為回灌井這種錯誤的想法,事實上回灌井回灌水量要低于供水井中的取水量。因此在使用供水井和回水井之前,要進行供水量和回水量的平衡性試驗。如果不能完全回水可能還要增加輔助回水井。案例7:大學(xué)內(nèi)噪聲和裝置運行不正常是一個癥狀。在閉環(huán)系統(tǒng)中,為每個熱泵都精確設(shè)計和安裝了平衡閥和控制制冷劑壓力和調(diào)節(jié)水流量的控制閥。還安裝了一個長時間運行的定容量泵求。,送風(fēng)或供水的溫度無法達到設(shè)計的要求。412地源熱泵系統(tǒng)在不同建筑工程應(yīng)用中出現(xiàn)的故障特征和解決經(jīng)驗案例1:成人教育中心運行費用高于預(yù)計費用。該建筑采用了熱回收裝置但沒采用調(diào)速水泵和井田旁通控制裝置。該建筑需要系統(tǒng)的運行時間大于預(yù)先的設(shè)計值

19、。空調(diào)系統(tǒng)的反饋控制沒有啟動。機組容量遠遠小于建筑物的設(shè)計值,因此建筑物內(nèi)部獲得的熱量減少。為達到設(shè)計值使得供熱期間運行費用超出預(yù)計費用的35%。解決方法是恢復(fù)空調(diào)系統(tǒng)中反饋控制系統(tǒng)的作用,使得機組能夠處于穩(wěn)定的工作狀態(tài),然后采用變頻調(diào)速水泵或采用變?nèi)萘康氖覂?nèi)管路系統(tǒng),這樣大大減少了泵的運行費用,最后建議采用井田旁通設(shè)施,當(dāng)不需要熱源或不需從地源吸收熱量的時候則可以進一步減少泵的消費。FLUIDMACHINERYVol131,No15,200354系統(tǒng),開始時候由于調(diào)節(jié)水流量控制閥的干擾沒有設(shè)置平衡閥。當(dāng)在任何工況下閥門都保持全開的時候就沒必要采用調(diào)節(jié)水流量的控制閥。只有當(dāng)?shù)叵滤礋岜孟到y(tǒng)用調(diào)

20、節(jié)水流控制閥來減少水的消耗和泵的運行費用時,才采用連續(xù)的調(diào)節(jié)水流裝置來維持供冷或供熱時預(yù)設(shè)的吸氣壓力的穩(wěn)定。但在閉環(huán)系統(tǒng)中是沒必要的。當(dāng)然在每個熱泵中采用平衡閥是更好的選擇。413限制地源熱泵廣泛應(yīng)用的因素(1)用戶的接受程度和滿意度?？諝庠礋岜煤腿細狻⑷济汗峒夹g(shù)比較成熟,應(yīng)用較為廣泛,與地源熱泵系統(tǒng)相比具有很大的競爭力。(2)地源熱泵技術(shù)涉及暖通空調(diào)技術(shù)、術(shù)和鉆井技術(shù)等多方面的知識(3)。地下水,某些制冷劑、冷凍液、防銹劑和填料會造成水資源或土壤資源、地表植被的污染或破壞。如何防范還有待深入研究。(4)目前國內(nèi)關(guān)于地源熱泵系統(tǒng)的性能評價標(biāo)準(zhǔn)還不是很完善,地源熱泵系統(tǒng)的性能分析測試和比較不規(guī)

21、范,因此需要建立有效的評價標(biāo)準(zhǔn)。(5)地源熱泵系統(tǒng)在不同地域的適用性和性能穩(wěn)定性的問題。各地的地質(zhì)結(jié)構(gòu)相差很大,造成埋地盤管與土壤間的換熱系數(shù)差別很大。這樣造成系統(tǒng)的初投資成本的波動問題。參考文獻1,張小力,.,18(1):33371.、環(huán)保效能好的供熱制冷裝置J.吉林工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報,2001,31(2):961021resentOperatingProblemsofCommercialGround2sourceandGroundwater-sourceHeatPumpJ.ASHRAETrans2action.2000,106(2):5615681作者簡介:張群力,男,1977年生,碩士研究生。通訊地址:710049陜西西安市西安交通大學(xué)東區(qū)1361信箱。(上接第34頁)受結(jié)構(gòu)條件的限制,為了更換易磨損的摩擦副構(gòu)件,磁性密封與普通機械密封相同均需要裝拆泵與電機(或減速箱等)的連