土壤源熱泵特性分析及其在天津地區(qū)的應(yīng)用

土壤源熱泵特性分析及其

在天津地區(qū)的應(yīng)用摘要：針對我國能量利用現(xiàn)狀和建設(shè)綠色建筑的需求，本文著重介紹了土壤源熱泵優(yōu)缺點及其適用范圍，并針對天津地區(qū)的現(xiàn)狀和開發(fā)背景，提出了在天津地區(qū)發(fā)展土壤源熱泵項目時特有的優(yōu)勢和應(yīng)該注意的問題。關(guān)鍵詞：土壤源熱泵適用范圍天津地區(qū)Abstract:Aimingattheactualityofenergyusinginourcountryandtherequestofgreenbuilding,thispaperintroducetheadvantageanddisadvantageofGeothermalHeatPumpanditsusingareas.WiththebackgroundofTianjinarea,wepointouttheadvantagesofTianjinareainthedevelopmentofGeothermalHeatPumpandsomepresentissuesKeywords:GeothermalHeatPumpusingareaTianjinarea1弓|言當(dāng)今世界，環(huán)境污染和能源危機(jī)成為威脅人類生存的頭等大事。隨著人類生活水平的提高，中央空調(diào)的能耗占整個世界能源消耗的比例不斷增加，而中央空調(diào)的能耗中絕大部分是消耗在冷熱源上。因此，國內(nèi)外廣大專業(yè)人士一直努力尋求高效節(jié)能且環(huán)保的空調(diào)冷熱源，建筑綠色建筑。對于綠色建筑應(yīng)體現(xiàn)在以下幾個方面[1]:1、建筑與自然的共生：即要求保持環(huán)境、利用環(huán)境、防御自然災(zāi)害。保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)并減少CO,及其他大氣污染物的排放，保持建筑周邊環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的平衡；充分利用太陽能、地?zé)崮苓M(jìn)行供暖、供熱、采光以及通風(fēng)，充分考慮綠化配置，軟化人工建筑環(huán)境；考慮建筑物的朝向等。2、應(yīng)用減輕環(huán)境負(fù)荷的建筑節(jié)能技術(shù)：即降低能耗、延長使用壽命、使用環(huán)保的材料，注重能源的再利用、使用耐久性強(qiáng)的建筑材料及可循環(huán)再生材料的利用。3、循環(huán)再生型的建筑生涯。循環(huán)利用始終貫穿到整個建筑生涯。4、創(chuàng)造健康、舒適的室內(nèi)環(huán)境。包括健康持久的生活環(huán)境，優(yōu)良的空氣質(zhì)量等。5、使建筑融人歷史與地域的人文環(huán)境。即繼承地方傳統(tǒng)的施工工藝，繼承和保護(hù)城市與地域的景觀特色，保持城市的恒久魅力和活力。土壤源熱泵系統(tǒng)是一種利用地下淺層的熱資源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等），通過輸入少量的高位能（如電能），將低溫位能向高溫位能轉(zhuǎn)移，以實現(xiàn)既可供熱又可制冷的高效節(jié)能的綠色空調(diào)系統(tǒng)。在建筑綠色建筑的過程中，土壤源熱泵是一種可以廣泛應(yīng)用的系統(tǒng)形式。2土壤源熱泵的優(yōu)缺點及分類2.1土壤源熱泵的優(yōu)點土壤源熱泵利用土壤一年四季溫度穩(wěn)定的特點，冬季把土壤能作為熱泵供暖的熱源，即把高于環(huán)境溫度的地能中的熱能取出來供給室內(nèi)采暖，夏季把土壤能作為空調(diào)的冷源，即把室內(nèi)的熱能取出來釋放到底于環(huán)境溫度的土壤中［2］。通常土壤源熱泵消耗1KW的熱量，用戶可以得到4KW左右的熱量或冷量，從而達(dá)到節(jié)能的目的，而且在系統(tǒng)運行過程中，不產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，實現(xiàn)了環(huán)保的功效。土壤源熱泵的工作原理如圖1所示：圖1土壤源熱泵工作原理A-地下循環(huán)環(huán)路；B-熱泵工作環(huán)路；C-室內(nèi)熱交換環(huán)路該系統(tǒng)有如下特點[3]：1、資源可再生利用，土壤源熱泵技術(shù)利用地球表面淺層地?zé)豳Y源（地能）作為冷熱源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，而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(dāng)于人類每年利用能量的500多倍，且不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這是儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，也是清潔能源。與地面上環(huán)境空氣相比，地面5m以下土壤溫度全年基本穩(wěn)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(fā)溫度。所以從熱力學(xué)原理上講，土壤是一種比環(huán)境空氣更好的熱泵系統(tǒng)的冷熱源。而且土壤源熱泵系統(tǒng)不會把熱量、水蒸氣及細(xì)菌等排人大氣環(huán)境，符合當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。通常土壤源熱泵消耗1KW的能量，用戶可以得到4KW以上的熱量或冷量，這多出來的能量就是來自土壤的能源。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。據(jù)美國環(huán)保署EPA估計，設(shè)計安裝良好的土壤源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶30%?40%的供熱制冷空調(diào)的運行費用。高效的土壤源熱泵機(jī)組，平均產(chǎn)生1冷噸的冷量僅需0.88kW的電力消耗，其耗電量僅為普通冷水機(jī)組加鍋爐系統(tǒng)的30%?60%;2、投資少，運行費用低，與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，其一次性投資可節(jié)省15%~25%,每年運行費用可節(jié)約40%左右。采用土壤源熱泵系統(tǒng)，由于土壤的溫度理，土壤源熱泵可以比風(fēng)冷熱泵具有更高的效率和更好的可靠性，其熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10-25C。而且土壤源熱泵系統(tǒng)可用于供暖、空調(diào)，還可提供生活熱水，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐、空調(diào)制冷裝置或系統(tǒng)，一機(jī)多用；不僅適用于賓館、商場、辦公樓、學(xué)校等建筑，更適合于別墅住宅的供熱和空調(diào)。此外，機(jī)組使用壽命長，均在20年左右；機(jī)組緊湊、節(jié)省空間：維護(hù)費用低；自動化控制程度高，可無人值守。土壤源熱泵中的熱源不是指地?zé)崽镏械臒釟饣驘幔兀┧?，而是指一般的常溫土壤，所以對地下熱源沒有特殊要求，可在中國絕大部分地區(qū)應(yīng)用。土壤源熱泵系統(tǒng)的C0P值一般在3~6左右，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空50%~60%。3、占地面積少，機(jī)房占地面積小，節(jié)省空間，可設(shè)在地下；4、綠色環(huán)保，土壤源熱泵系統(tǒng)利用地球表面淺層地?zé)豳Y源，沒有燃燒，沒有排煙及廢棄物，情節(jié)環(huán)保，無任何污染，土壤源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少40%以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70%以上，如果結(jié)合其它節(jié)能措施節(jié)能會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調(diào)裝置減少25%的充灌量；土壤源熱泵系統(tǒng)屬自含式系統(tǒng)，即該裝置能在工廠車間內(nèi)事先整裝密封好，因此，制冷劑泄漏機(jī)率大為減少。該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，安裝在綠地、停車場下，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。土壤源熱泵系統(tǒng)沒有冷卻塔和其它室外設(shè)備，沒有中央空調(diào)集中占地問題，節(jié)省了空間和地皮，為開發(fā)商帶來額外利潤，產(chǎn)生附加經(jīng)濟(jì)效益，并改善了建筑物的外部形象；5、自動化程度高，機(jī)組內(nèi)部及機(jī)組與系統(tǒng)均可實現(xiàn)自動化控制，可根據(jù)室外溫度變化及室內(nèi)溫度要求控制機(jī)組啟停，達(dá)到最佳節(jié)能效果，同時節(jié)省了人力物力；6、可自主調(diào)節(jié)機(jī)組，能夠任意調(diào)機(jī)，投資者可按需要調(diào)整供應(yīng)時間及溫度，完全自主；7、一機(jī)多用，即可供暖，又可制冷，在制冷時產(chǎn)生的余熱還可提供生活生產(chǎn)熱水或為游泳池加熱，最大限度的利用了能源。2.2土壤源熱泵的缺點1、埋地?fù)Q熱器受土壤性能影響較大，土壤的熱工性能、能量平衡、土壤中的傳熱與傳濕對傳熱有較大影響[4]；2、連續(xù)運行時熱泵的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度受土壤溫度的變化發(fā)生波動；3、土壤導(dǎo)熱系數(shù)較小，換熱量較小。已有的經(jīng)驗表明，其持續(xù)吸熱速率一般為25W/m2，所以當(dāng)供熱量一定時，換熱盤管占地面積較大，埋管的敷設(shè)無論是水平開挖布置還是鉆孔垂直安裝，都會增加土建費用。2.3土壤源熱泵的分類2.3.1按地下埋管系統(tǒng)分類地下埋管熱泵系統(tǒng)按埋管形式可分為水平埋管熱泵和垂直埋管熱泵。水平埋管是目前工程實例中常采用的，多其用于采暖。而垂直埋管一般認(rèn)為其性能優(yōu)于水平埋管系統(tǒng)，但施工難度相對高一些。1、水平埋管熱泵系統(tǒng)關(guān)于水平埋管熱泵的研究開始于1930年到1940年?，F(xiàn)在歐洲普遍使用的此類系統(tǒng)多只用于采暖。水平盤管系統(tǒng)有單層和雙層兩種形式，可采用U形，蛇形，單槽單管單槽多管等形式。單層是最早也是最常用的一種形式，一般的設(shè)計管埋深度為0?5m到2.5m之間。由于土壤飽和度不同，壕溝深度也不同。若整個冬季土壤均處于飽和狀態(tài)，壕溝的深度就一定要大于l.5m同時用于采暖.管埋深度超過1.5m蓄熱就慢，而小于0?8m,盤管就會受地面冷卻和結(jié)凍的影響，另外管間距小于1?5m,盤管間可能會產(chǎn)生固體冰晶并使春季蓄熱減少。雙層盤管系統(tǒng)一層約在1.2m深，另一層約在1.9m深，即先在l.9m深敷設(shè)一層管道再回填至1.2m深鋪設(shè)另一層雙層鋪設(shè)大幅度降低了挖掘深度和填土需砂石量。2、垂直埋管熱泉系統(tǒng)垂直埋管熱泉系統(tǒng)有淺埋和深埋兩種。淺埋深度為8m到10m.安裝成環(huán)形、六邊形或直角形，并采用同軸柔性套管。這種設(shè)計是由Ambrose在1946年提出的，增大外殼直徑是為了提高熱交換性能。深埋的鉆孔深度由現(xiàn)場鉆孔條件及經(jīng)濟(jì)條件決定，一般為33m到180m不等。溶液在垂直的U形彎管中循環(huán)。為了減少泵容量，有必要采用平行埋設(shè)，在垂直埋管系統(tǒng)中。管道深入地下，土壤熱特性不會受地表溫度影響。因此能確保冬季散熱與夏季得熱間土壤的熱平衡。平衡的方法可以采用集熱器，在夏季集中熱量并送入地下加熱土壤，或使熱泵反轉(zhuǎn)在夏季為土壤加熱，以備冬季之用。集熱設(shè)備一般采用太陽能和風(fēng)能集熱，此類設(shè)備具有高蓄熱能力、溫升能力。垂直埋管熱泵系統(tǒng)較水平系統(tǒng)有許多優(yōu)點。首先它不需像水平埋管系統(tǒng)那樣需要大的場地面積。其次在許多地區(qū)，地面以下的一段距離，土壤處于濕度飽和狀態(tài)，而這段距離又正是熱交換器所在的位置，因此對熱交換有利。在制冷季節(jié)，水平系統(tǒng)流入盤管中的溶液加熱了飽和的土壤層使水分降低，從而降低了土壤導(dǎo)熱率。使得熱交換的效率也降低。而垂直埋管中，這種水分轉(zhuǎn)移只有很小的一部分。而且垂直埋管熱泵的穩(wěn)定工況和部分負(fù)荷的運行效率比滿負(fù)荷情況好，而一般的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計工況是在滿負(fù)荷情況下，但實際卻很少在此情況下運行，效率也就很難保證是在高效區(qū)。2.3.2按中有無中間流體分類按有無中間流體分類，土壤源熱泵分為一次流體地偶熱泵，即在制冷劑和大地之間存在一種中間流體，多為水、鹽水或乙二醇溶液；另一種用得較少的系統(tǒng)是直接膨脹式地偶熱泵系統(tǒng)，即利用大量制冷劑直接在地下盤管內(nèi)與環(huán)境進(jìn)行熱交換。2.3.3按與土壤環(huán)繞管道材料分類現(xiàn)在用于土壤系統(tǒng)的管道材料多采用熱熔性塑料，包括聚乙烯管、聚丁烯管和聚氯乙烯管（PVC）?？梢?，PVC管的導(dǎo)熱系數(shù)相對低，所以不適合用于此類系統(tǒng)下的導(dǎo)熱材料。試驗表明，若使土壤導(dǎo)熱性提高一倍，在連續(xù)運行情況下，聚乙烯管道的熱交換升高25%,而PVC管只升高12%。所以應(yīng)盡量采用高密度聚乙烯材料，盡管金屬具有良好的導(dǎo)熱性，它們的性能比高密度聚乙烯提高不多，但造價昂貴。另外由于高密度聚乙烯具有高強(qiáng)度和抗腐蝕能力，所以選用這一類柔性材料作為地下埋管換熱材料的土壤源熱泵系統(tǒng)壽命可長達(dá)50年之久。由于土壤熱交換與管徑并沒有很明顯的關(guān)系，所以管徑的選擇是出于管道壓力損失而產(chǎn)生的運行費用與管道造價的折衷考慮，一般取20mm到50mm。3土壤源熱泵的適用范圍地能供暖技術(shù)對地能資源的收集，主要集中在100米以內(nèi)的淺地層。這一范圍地質(zhì)結(jié)構(gòu)是多樣的，既有黏土也有砂土，砂土中既有粗砂也有細(xì)砂，還有卵石加砂，有的甚至是基巖。這些不同的構(gòu)造，其滲水率和熱導(dǎo)率都不同，滲水率高的只適用于水源熱泵技術(shù)，熱導(dǎo)率高的就適用于土壤源熱泵技術(shù)。4天津地區(qū)的應(yīng)用4.1天津地區(qū)運用土壤源熱泵的背景天津地區(qū)現(xiàn)有的供熱（包括洗浴、飲水等）系統(tǒng)基本上是由各行政單位的燃煤鍋爐承擔(dān)，其供熱管網(wǎng)也布置在本單位的范圍內(nèi)。煤煙污染嚴(yán)重，能源浪費大，安全隱患多的現(xiàn)象比較突出。近年來，天津陸續(xù)進(jìn)行了鍋爐房聯(lián)網(wǎng)改造等，使上述現(xiàn)象正在得到逐步地改善4.2天津港地區(qū)運用土壤源熱泵的現(xiàn)狀天津市地?zé)豳Y源勘探開發(fā)起步于70年代，地?zé)崽锏囊?guī)模大、儲量高，折合電能大于50兆瓦。天津市地?zé)嶂苯永米咴谌珖那傲?，?001年，用于供暖的地?zé)峋_(dá)200余口，地?zé)峁┡娣e已達(dá)800萬平米。我市在有效降低地?zé)嵛菜疁囟?，中高溫地?zé)釤岜眉夹g(shù)，地表淺層的地?zé)崮芾?，既供暖又制冷的地源熱泵?jié)能技術(shù)方面有較好的研究基礎(chǔ)和工程開發(fā)經(jīng)驗。代表性工程有：天津市梅江居住區(qū)一綜合辦公樓，建筑面積2991m2，建筑熱負(fù)荷147KW，建筑冷負(fù)荷320KW。經(jīng)過了冬季1個月、夏季近3個月的實際運行，該地源熱泵系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，總體效果上達(dá)到了預(yù)期的實際目標(biāo)，冬季采暖房間的室內(nèi)溫度穩(wěn)定在18°C以上，夏季空調(diào)房間的室內(nèi)溫度基本穩(wěn)定在25C左右，均達(dá)到設(shè)計溫度的要求。[5]4.3天津港地區(qū)運用土壤源熱泵的優(yōu)缺點在天津港地區(qū)使用土壤源熱泵時除了具有實用土壤源熱泵共同的優(yōu)點外，還具有許多地區(qū)不具備的優(yōu)點：天津港地處溫帶地區(qū)，冬季供熱負(fù)荷和夏季制冷負(fù)荷相差不大，容易平衡，不會導(dǎo)致地下積聚過多的熱量和冷量。缺點以及應(yīng)該注意的問題：1、天津港地區(qū)地層條件復(fù)雜，約80%的面積被咸水覆蓋，且咸水埋深較淺。建設(shè)地埋管式土壤源熱泵項目極易造成咸淡水串層，導(dǎo)致地下水污染，對鑿井工藝要求很高。況且，國內(nèi)的設(shè)備材質(zhì)、生產(chǎn)工藝水平與國外尚有一定差距，一旦控制溫度的循環(huán)液泄露，也將對地下水造成嚴(yán)重污染。在設(shè)計和施工時應(yīng)有其注意這方面的問題。2、在北方寒冷地區(qū)，冬季進(jìn)入地下埋管換熱器的液體溫度一般均在0C以下，換熱器周圍含濕量的土壤可能凍結(jié)。根據(jù)定性分析，水份凍結(jié)時，有大量的潛熱被釋放出來，因此在吸收同等數(shù)量的熱量情況下，土壤降低的溫度幅度小，水份越多，釋放的潛熱越多，溫度降低幅度越小，在鄰近換熱器埋管的土壤溫度越高。因此，在設(shè)計時要考慮到以上因素。5結(jié)論盡管土壤源熱泵還存在著初投資大、施工困難、埋地?fù)Q熱器受土壤物性影響較大、連續(xù)運行時熱泵的冷凝溫度或蒸發(fā)溫度受土壤溫度的影響而發(fā)生波動及土壤導(dǎo)熱系數(shù)小而導(dǎo)致埋地?fù)Q熱器的面積較大等不足之處，但一些國際著名組織及從事熱泵的研究者都普遍認(rèn)為：由于土壤資源廣泛，在目前和將來，土壤源熱泵是最有前途的節(jié)能裝置和空調(diào)系統(tǒng)，是國際空調(diào)和制冷行