土壤源热泵技术

土壤源热泵技术（精选九篇）

土壤源热泵技术 篇1

地埋管土壤源热泵工作是利用热泵原理实现的, 因为地下土壤层温度波动变化较小且较为恒定, 在冬季供暖时作为低温热源通过地埋管从浅层土壤中将热量取出来, 经过热泵提升温度后向空调用户采暖;同理夏季空调制冷时作为高温热源, 将建筑物内取出的热量经过地埋管释放回土壤层中去, 以便使能量收支平衡。可以说地埋管土壤源热泵机组主要是由冷凝器、蒸发器、制冷压缩机、节流阀等几大部件构成, 随着不同季节气温变化, 通过四通阀转换通常可以在夏季空调供冷、在冬季供暖以及平时供生活用热水之用。

2 土壤源热泵系统基本组成及地下埋管形式

2.1 土壤源热泵系统基本组成。

土壤源热泵供冷供热空调系统通常由三个部分组成:土壤源热泵机组、建筑物室外地埋管换热系统、建筑物室内冷暖空调末端换热系统。其中土壤源热泵机组本体主要有水-空气和水-水换热两种不同形式, 根据工程具体情况合理选择机组形式。土壤源热泵系统各组成部分之间通过空气或水作为热交换媒介进行能量转移, 其中建筑物室内冷暖空调用户热媒可以是空气或水, 室外地埋管换热系统与土壤源热泵机组换热介质一般为水, 可以说与普通地源热泵系统组成基本相同。室内末端空调形式一般根据用户不同要求采用低温地板辐射供暖或风机盘管加新风系统。建筑物室外地埋管换热系统由埋藏于浅层土壤中的PE管材为代表的盘管换热器和管道系统组成, 在冬季代替传统锅炉为代表的加热装置, 同理在夏季代替冷却塔为代表的放热装置。

2.2 土壤源热泵地下埋管形式

2.2.1 地下埋管管材的合理选用。

土壤源热泵地下埋管是与室外侧浅层土壤进行热量传递的换热器, 因此其地埋管的管材性能优劣会对热泵机组运行的COP性能系数、系统运行维护费用、循环水泵扬程等方面产生影响, 所以地下埋管管材的合理选用十分重要。尽管金属管材一般导热性能良好, 但是其容易腐蚀渗漏、耗能高、使用年限较短, 目前实际工程中属于淘汰产品不在使用了。所以土壤源热泵地埋管应优先选用耐腐蚀较强、热力稳定性好、机械强度高、导热性能好、流动阻力小的高密度聚乙烯PE塑料管, 并且其还具有使用寿命较长、初投资及造价较低、节能环保等优点。

2.2.2 水平式地下环路埋管形式。

土壤源热泵水平式地下环路埋管形式土方开挖工作量少, 地下环路埋管深度较浅平均在2m以内, 挖沟槽等土建成本与打井相比较低, 安装施工及维修简单方便, 但缺点是水平式埋管形式因为管材埋深偏浅, 故所需工程场地面积大, 同时其易受地上环境诸如降雨雪、气温波动、地面荷载等变化影响较大, 系统全年运行性能较差使其应用受到一定限制, 目前在实际工程中可以用在对室内温度要求不高且场地开阔的小型公共建筑的冬季供暖工程。

2.2.3 垂直式地下环路埋管形式。

土壤源热泵垂直式地下环路埋管通常的施工方法是将高密度聚乙烯U形塑料管分组放置于若干垂直钻孔内, 有深埋和浅埋两种敷设形式。深埋深度一般情况下为地面下30~180m, 是根据施工现场的实际情况经过地质勘探后决定的;浅埋深度较浅, 一般为8~10m, 其受地上环境因素影响与深埋相比较大。垂直式地下环路埋管形式所需地上场地面积通常较小, 并且因为深层土壤的温度场受四季变换、环境波动影响小, 热稳定性好传热系数高, 整个系统运行稳定, 所以在大型建筑的冷暖空调工程中如选用土壤源热泵作为热源, 大多采用垂直式U型地埋管形式。但是其埋设管道时施工过程较为复杂, 还需使用钻孔专用设备, 增加了系统初投资费用。

3 地埋管土壤源热泵技术的优势及存在问题

3.1 土壤源热泵技术优势所在。

土壤源热泵室外地埋管换热器通常可设置在花坛、草坪等下面, 与其上面覆盖的土壤层不断地进行着热量传递, 浅层土壤本身相当于是一个巨大的取之不尽、无处不在的太阳能集热器, 所以土壤源热泵利用的是可再生能源, 并且可节省一些地上场地空间。

土壤源热泵机组本身内循环所需的制冷剂充灌量比传统空调机要少很多, 属于自含式系统没有渗漏发生, 减少了对大气环境的污染破坏, 与普通热泵系统相比属于低碳清洁能源。同时夏季机组不需要冷却塔和空调室外机部分, 可以有效控制热量排放造成的温室效应和噪声污染, 冬季机组通常不需燃煤锅炉作为辅助热源, 可以减少烟气等污染物排放从而保护生态环境。

土壤源热泵机组适用范围较广, 可以在宾馆、学生公寓、住宅、别墅等一些公共和民用建筑中应用, 夏季制冷、冬季采暖和日常生活热水供应, 一套设备替换了传统的冬季加热装置和夏季制冷空调机两套设备, 机组结构紧凑, 易于设备机房的建筑空间布置, 机组有效使用年限一般较长, 可以说一机三用, 大大节省了建设单位初投资费用, 更适合于城市近郊的小型建筑的室内供暖、空调工程。

土壤源热泵机组本身运转部件较少, 维修相对简单, 机组运行平稳可靠。在冬季工况, 土壤源热泵地埋管作为热泵空调机的蒸发器吸收地下浅层土壤低品位热量, 因为地下土壤温度相对恒定受地上空气温度变化影响小, 不会出现某些空气源热泵空调机蒸发器表面结霜现象, 不需要除霜专用设备, 使系统制热系数提高, 维护费用降低, 延长其使用寿命。

3.2 土壤源热泵技术存在问题。

尽管土壤源热泵优点较多, 但同时也存在一些技术问题亟待解决。首先其地下埋管的敷设对整个系统的机组性能及其运行管理都有一定影响, 如埋设深度过大则增加施工土方量且热泵工况复杂、检修困难, 过小则受地面环境变化影响大而难于布置且热泵效率降低;其次地埋管普遍采用PE塑料管材, 其传热性能由于受地下土壤层杂质影响而使之与浅层土壤传热效果减弱, 势必加大了地下埋管的换热面积, 从而增加了地下埋管耗材费用。

4 地埋管土壤源热泵技术应用前景展望

地埋管土壤源热泵作为一种新技术与传统空调热泵相比具有低碳、节能、环保等许多优点, 符合当今我国倡导的构筑节能减排节约型社会发展要求, 值得在我国广泛推广应用。但是还要看到我国土壤源热泵技术还处在起步阶段, 在理论研究与实践应用上掌握的还并不全面, 再加上此项技术涉及面较广, 包括热能动力工程、暖通空调、地质勘探等多领域、多学科技术, 这就要求不同专业技术人员应对于某一待建工程提前做好技术经济分析比较, 确保土壤源热泵工程质量。同时由于我国幅员辽阔不同地区地质情况、经济发展水平千差万别等原因, 使土壤源热泵技术应用在一些地区受到限制。但是随着我国建筑业的快速发展和能源消耗日益增加, 我们应继续加大这方面理论与应用研究, 有理由相信不远的将来土壤源热泵技术在我国一定会有更加广阔的应用前景。

摘要：本文对地埋管土壤源热泵技术工作原理、基本组成、管材选用以及地下埋管形式等一些技术特点进行了分析与研究, 指出土壤源热泵是制冷和供暖兼用的一种低碳高效环保的新型节能空调技术, 并对其在我国应用前景进行了展望。

关键词：土壤源热泵,地埋管,节能

参考文献

[1]李.关于热泵技术应用的几个问题[J].节能, 2006, 12 (4) :19-24.

[2]郑万兵, 吴宜珍.土壤源热泵技术分析[J].武汉科技学院学报, 2005, 18 (6) :47-48.

土壤源热泵的研究 篇2

土壤源热泵的研究

土壤源热泵是利用媒介质取其土壤内冷(热)能量的`新型装置.在分析土壤源有关特性的基础上,研究土壤源热泵的设置及其特性的测试.

作 者：魏先勋 李元旦 林玉鹏 曾光明 WEI Xian-xun LI Yuan-dan LIN Yu-peng ZENG Guang-ming  作者单位：湖南大学环境科学与工程系,湖南,长沙,410082 刊 名：湖南大学学报（自然科学版）  ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF HUNAN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCES EDITION) 年，卷(期)： 27(2) 分类号：X82 关键词：土壤源   热泵   地热开发   地热利用  

漫谈土壤源热泵空调方案的优劣 篇3

关键词：土壤源热泵空气源热泵优点缺点

1 概述

最近，“雾霾”一词在网络上出现的频率非常高。“雾霾”现象已经严重影响到人们的日常生活和身心健康。雾霾的产生，主要源于人类生产和生活活动所带来的环境污染，而大量开采地表及地下非可再生能源亦是其中一个重要的因素。鉴于此，人类愈发重视生产和生活活动中的节能减排。

在此，本文主要谈谈一种符合新型环保理念的空调方案——土壤源热泵空调的现实应用问题。土壤源热泵的主要工作原理是利用浅层土壤地热能源实现制冷与供暖。这种空调系统通过输入少量的高品位能源（如电能），把地热能源向高温位转移。地热能源可以作为冬季的供暖热源，在经过空调系统转化后实现对地表室内供暖，同样在夏季，又可以作为制冷的冷源。总之，土壤源热泵空调系统充分利用了地热能源在不同季节的功能，实现了资源的循环利用。

2 土壤源热泵空调系统的基本工作原理

土壤源热泵与空气源热泵的工作原理相似。在制冷状态下，制冷剂在蒸发器内蒸发而吸收室内循环空气所携带的热量，通过压缩机对制冷剂做功，使其在室外冷凝器内冷凝，然后通过系统中的循环水路将制冷剂中所携带的热量吸收，最后经过室外地能换热系统转移到土壤里。其工作原理如图1所示。在制热状态下，开始由系统内的压缩机对制冷剂做功，然后利用四通阀将制冷剂的流动方向换向，从而由室外地能换热系统吸收地下土壤里的热量，并在室内侧换热器中将热量释放给室内空气，实现向室内供热。其工作原理如图2所示。

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图1 土壤源热泵制冷原理图图2 土壤源热泵制热原理图

3 土壤源热泵空调的优点

第一，使用土壤源热泵空调可以在很大程度上实现资源的可再生利用。土壤源热泵可以通过吸收地球表面浅层地热资源作为冷热源然后再进行能量转换，从地理学角度来看，浅层地表就是一个太阳能资源储存器，太阳辐射的能量有47%都被浅层地表吸收了。这种地热量大面广、无处不在，它基本不受地理位置、季节气候、资源等限制。这种浅层地表储存的太阳热能资源几乎是无限可再生能源，可以实现反复循环利用，最重要的还是这种能源本身就是一种清洁能源。在地表之下5米的土壤温度比地表气温低，但是基本均衡稳定。

第二，使用土壤源热泵空调的运行费用较低。较低的运行费用使得土壤热源泵有一定的经济可行性。从其与传统空调系统的运行费用相比来看，每年大约可节省40%的运行费用。土壤源热泵空调系统的机组使用寿命长，设计使用年限均在20年左右。较长的使用年限摊薄了每年的成本费用，可以有效地降低使用维护成本。

第三，土壤源热泵空调占地面积小。与传统空调系统相比，机组紧凑，制冷剂的充注量极小，且无需冷却塔、锅炉等，运转安静。故机房占用空间较小，而且其中一些设施可以安置到地表之下。

第四，土壤源热泵空调几乎不产生污染，可以说是一种新型绿色环保空调系统。其充分利用地热能源，转换成可供人们使用的供暖或制冷能源。设备可以建造在居民区内，安装在绿地、停车场下。改善了建筑物的外部形象。

4 土壤源热泵空调的缺点

第一，土壤性能对埋地换热器的影响较大，不同地区的土壤性能差异很大，土壤的能量平衡、热工性能、土壤中的传热与传湿都会对换热器产生不同影响。

第二，土壤源热泵的连续稳定运行需要有比较均衡的土壤温度为基础，对土壤温度的变化反应过于敏感，在土壤温度发生较大幅度变化时会对土壤热源泵的正常运转造成不良影响。

第三，由于换热盘管的实际占用面积较大，而且在埋管的敷设时需要使用机器打孔，这在一定程度上增加了设备的使用成本。

5 结束语

在环保压力加大的今天，地热能源更需要加大开发利用力度，土壤源热泵这种具有优良性能的新型空调系统在我国具有广阔的应用前景，但在国内有关影响土壤源热泵广泛应用的主要因素（如地下热交换器的传热强化、土壤性质等）的研究还很有限，目前存在的缺点制约了它的应用。我相信，随着科技的发展，土壤源热泵空调方案在我国大范围推广及应用将是必然的结果。

参考文献：

[1]徐伟等.地源热泵工程技术指南[M].北京:中国建筑工业出版社，2001.

[2]王勇.地源热泵研究（1）——地下换热器性能研究[D].重庆:重庆建筑大学，1997.

[3]蒋能照.空调用热泵技术及应用[M].机械工业出版社，1997.

[4]肖益民等.地源热泵空调系统的设计施工方法及应用实例[J].现代空调，2001（3）：88-100.

[5]周相宙，刘世朋，曲训帅.应用热源泵供热技术在改善农村环境空气质量的优势分析[J].科技信息，2013.

作者简介：陈武（1974-），男，江苏泰兴人，无锡职业技术学院控制学院，讲师。

endprint

摘要：目前我国地热能源的开发利用程度还比较低，在地热能源利用方面，土壤源热泵空调是一种利用地热能源实现制冷与供暖的设备。本文通过土壤热源泵的基本工作原理进行分析，阐述了其在实际工作过程中的优点与不足。

关键词：土壤源热泵空气源热泵优点缺点

1 概述

最近，“雾霾”一词在网络上出现的频率非常高。“雾霾”现象已经严重影响到人们的日常生活和身心健康。雾霾的产生，主要源于人类生产和生活活动所带来的环境污染，而大量开采地表及地下非可再生能源亦是其中一个重要的因素。鉴于此，人类愈发重视生产和生活活动中的节能减排。

在此，本文主要谈谈一种符合新型环保理念的空调方案——土壤源热泵空调的现实应用问题。土壤源热泵的主要工作原理是利用浅层土壤地热能源实现制冷与供暖。这种空调系统通过输入少量的高品位能源（如电能），把地热能源向高温位转移。地热能源可以作为冬季的供暖热源，在经过空调系统转化后实现对地表室内供暖，同样在夏季，又可以作为制冷的冷源。总之，土壤源热泵空调系统充分利用了地热能源在不同季节的功能，实现了资源的循环利用。

2 土壤源热泵空调系统的基本工作原理

土壤源热泵与空气源热泵的工作原理相似。在制冷状态下，制冷剂在蒸发器内蒸发而吸收室内循环空气所携带的热量，通过压缩机对制冷剂做功，使其在室外冷凝器内冷凝，然后通过系统中的循环水路将制冷剂中所携带的热量吸收，最后经过室外地能换热系统转移到土壤里。其工作原理如图1所示。在制热状态下，开始由系统内的压缩机对制冷剂做功，然后利用四通阀将制冷剂的流动方向换向，从而由室外地能换热系统吸收地下土壤里的热量，并在室内侧换热器中将热量释放给室内空气，实现向室内供热。其工作原理如图2所示。

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图1 土壤源热泵制冷原理图图2 土壤源热泵制热原理图

3 土壤源热泵空调的优点

第一，使用土壤源热泵空调可以在很大程度上实现资源的可再生利用。土壤源热泵可以通过吸收地球表面浅层地热资源作为冷热源然后再进行能量转换，从地理学角度来看，浅层地表就是一个太阳能资源储存器，太阳辐射的能量有47%都被浅层地表吸收了。这种地热量大面广、无处不在，它基本不受地理位置、季节气候、资源等限制。这种浅层地表储存的太阳热能资源几乎是无限可再生能源，可以实现反复循环利用，最重要的还是这种能源本身就是一种清洁能源。在地表之下5米的土壤温度比地表气温低，但是基本均衡稳定。

第二，使用土壤源热泵空调的运行费用较低。较低的运行费用使得土壤热源泵有一定的经济可行性。从其与传统空调系统的运行费用相比来看，每年大约可节省40%的运行费用。土壤源热泵空调系统的机组使用寿命长，设计使用年限均在20年左右。较长的使用年限摊薄了每年的成本费用，可以有效地降低使用维护成本。

第三，土壤源热泵空调占地面积小。与传统空调系统相比，机组紧凑，制冷剂的充注量极小，且无需冷却塔、锅炉等，运转安静。故机房占用空间较小，而且其中一些设施可以安置到地表之下。

第四，土壤源热泵空调几乎不产生污染，可以说是一种新型绿色环保空调系统。其充分利用地热能源，转换成可供人们使用的供暖或制冷能源。设备可以建造在居民区内，安装在绿地、停车场下。改善了建筑物的外部形象。

4 土壤源热泵空调的缺点

第一，土壤性能对埋地换热器的影响较大，不同地区的土壤性能差异很大，土壤的能量平衡、热工性能、土壤中的传热与传湿都会对换热器产生不同影响。

第二，土壤源热泵的连续稳定运行需要有比较均衡的土壤温度为基础，对土壤温度的变化反应过于敏感，在土壤温度发生较大幅度变化时会对土壤热源泵的正常运转造成不良影响。

第三，由于换热盘管的实际占用面积较大，而且在埋管的敷设时需要使用机器打孔，这在一定程度上增加了设备的使用成本。

5 结束语

在环保压力加大的今天，地热能源更需要加大开发利用力度，土壤源热泵这种具有优良性能的新型空调系统在我国具有广阔的应用前景，但在国内有关影响土壤源热泵广泛应用的主要因素（如地下热交换器的传热强化、土壤性质等）的研究还很有限，目前存在的缺点制约了它的应用。我相信，随着科技的发展，土壤源热泵空调方案在我国大范围推广及应用将是必然的结果。

参考文献：

[1]徐伟等.地源热泵工程技术指南[M].北京:中国建筑工业出版社，2001.

[2]王勇.地源热泵研究（1）——地下换热器性能研究[D].重庆:重庆建筑大学，1997.

[3]蒋能照.空调用热泵技术及应用[M].机械工业出版社，1997.

[4]肖益民等.地源热泵空调系统的设计施工方法及应用实例[J].现代空调，2001（3）：88-100.

[5]周相宙，刘世朋，曲训帅.应用热源泵供热技术在改善农村环境空气质量的优势分析[J].科技信息，2013.

作者简介：陈武（1974-），男，江苏泰兴人，无锡职业技术学院控制学院，讲师。

endprint

摘要：目前我国地热能源的开发利用程度还比较低，在地热能源利用方面，土壤源热泵空调是一种利用地热能源实现制冷与供暖的设备。本文通过土壤热源泵的基本工作原理进行分析，阐述了其在实际工作过程中的优点与不足。

关键词：土壤源热泵空气源热泵优点缺点

1 概述

最近，“雾霾”一词在网络上出现的频率非常高。“雾霾”现象已经严重影响到人们的日常生活和身心健康。雾霾的产生，主要源于人类生产和生活活动所带来的环境污染，而大量开采地表及地下非可再生能源亦是其中一个重要的因素。鉴于此，人类愈发重视生产和生活活动中的节能减排。

在此，本文主要谈谈一种符合新型环保理念的空调方案——土壤源热泵空调的现实应用问题。土壤源热泵的主要工作原理是利用浅层土壤地热能源实现制冷与供暖。这种空调系统通过输入少量的高品位能源（如电能），把地热能源向高温位转移。地热能源可以作为冬季的供暖热源，在经过空调系统转化后实现对地表室内供暖，同样在夏季，又可以作为制冷的冷源。总之，土壤源热泵空调系统充分利用了地热能源在不同季节的功能，实现了资源的循环利用。

2 土壤源热泵空调系统的基本工作原理

土壤源热泵与空气源热泵的工作原理相似。在制冷状态下，制冷剂在蒸发器内蒸发而吸收室内循环空气所携带的热量，通过压缩机对制冷剂做功，使其在室外冷凝器内冷凝，然后通过系统中的循环水路将制冷剂中所携带的热量吸收，最后经过室外地能换热系统转移到土壤里。其工作原理如图1所示。在制热状态下，开始由系统内的压缩机对制冷剂做功，然后利用四通阀将制冷剂的流动方向换向，从而由室外地能换热系统吸收地下土壤里的热量，并在室内侧换热器中将热量释放给室内空气，实现向室内供热。其工作原理如图2所示。

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图1 土壤源热泵制冷原理图图2 土壤源热泵制热原理图

3 土壤源热泵空调的优点

第一，使用土壤源热泵空调可以在很大程度上实现资源的可再生利用。土壤源热泵可以通过吸收地球表面浅层地热资源作为冷热源然后再进行能量转换，从地理学角度来看，浅层地表就是一个太阳能资源储存器，太阳辐射的能量有47%都被浅层地表吸收了。这种地热量大面广、无处不在，它基本不受地理位置、季节气候、资源等限制。这种浅层地表储存的太阳热能资源几乎是无限可再生能源，可以实现反复循环利用，最重要的还是这种能源本身就是一种清洁能源。在地表之下5米的土壤温度比地表气温低，但是基本均衡稳定。

第二，使用土壤源热泵空调的运行费用较低。较低的运行费用使得土壤热源泵有一定的经济可行性。从其与传统空调系统的运行费用相比来看，每年大约可节省40%的运行费用。土壤源热泵空调系统的机组使用寿命长，设计使用年限均在20年左右。较长的使用年限摊薄了每年的成本费用，可以有效地降低使用维护成本。

第三，土壤源热泵空调占地面积小。与传统空调系统相比，机组紧凑，制冷剂的充注量极小，且无需冷却塔、锅炉等，运转安静。故机房占用空间较小，而且其中一些设施可以安置到地表之下。

第四，土壤源热泵空调几乎不产生污染，可以说是一种新型绿色环保空调系统。其充分利用地热能源，转换成可供人们使用的供暖或制冷能源。设备可以建造在居民区内，安装在绿地、停车场下。改善了建筑物的外部形象。

4 土壤源热泵空调的缺点

第一，土壤性能对埋地换热器的影响较大，不同地区的土壤性能差异很大，土壤的能量平衡、热工性能、土壤中的传热与传湿都会对换热器产生不同影响。

第二，土壤源热泵的连续稳定运行需要有比较均衡的土壤温度为基础，对土壤温度的变化反应过于敏感，在土壤温度发生较大幅度变化时会对土壤热源泵的正常运转造成不良影响。

第三，由于换热盘管的实际占用面积较大，而且在埋管的敷设时需要使用机器打孔，这在一定程度上增加了设备的使用成本。

5 结束语

在环保压力加大的今天，地热能源更需要加大开发利用力度，土壤源热泵这种具有优良性能的新型空调系统在我国具有广阔的应用前景，但在国内有关影响土壤源热泵广泛应用的主要因素（如地下热交换器的传热强化、土壤性质等）的研究还很有限，目前存在的缺点制约了它的应用。我相信，随着科技的发展，土壤源热泵空调方案在我国大范围推广及应用将是必然的结果。

参考文献：

[1]徐伟等.地源热泵工程技术指南[M].北京:中国建筑工业出版社，2001.

[2]王勇.地源热泵研究（1）——地下换热器性能研究[D].重庆:重庆建筑大学，1997.

[3]蒋能照.空调用热泵技术及应用[M].机械工业出版社，1997.

[4]肖益民等.地源热泵空调系统的设计施工方法及应用实例[J].现代空调，2001（3）：88-100.

[5]周相宙，刘世朋，曲训帅.应用热源泵供热技术在改善农村环境空气质量的优势分析[J].科技信息，2013.

作者简介：陈武（1974-），男，江苏泰兴人，无锡职业技术学院控制学院，讲师。

土壤源热泵技术 篇4

关键词：土壤源热泵技术,投资,地下水

土壤源热泵是利用地下常温土壤温度相对恒定的特性, 通过深埋于建筑物周围的密闭管路系统与建筑物内部完成能量交换的空调系统, 可以实现冬季从土壤中取热通过热泵机组向建筑物供暖, 夏季将建筑物内的热量排放到土壤中, 从而使建筑物降温达到制冷的目的, 它以土壤作为热源和冷源, 通过高效热泵机组向建筑物供热、供冷和提供生活热水实现三联供。高效热泵机组的能效比一般能达到4.0 k W/k W以上, 与传统的冷水机组加锅炉的配置相比, 全年能耗可节省40%左右, 此项技术初投资偏高, 较冷水机组加锅炉配置和直燃机配置造价高出2倍左右, 供冷时, 省去了冷却塔, 避免了冷却塔的噪声及霉菌污染, 可节约用水量, 运行费用低, 不产生任何废渣、废水、烟尘, 节能环保, 可实现有害气体零排放, 属清洁能源, 环境效益显著, 在北方地区有广阔的利用空间。拿某公司开发的住宅小区实际应用情况分析来看, 应用土壤源热泵技术还有其一定的局限性, 前期调研工作和相关对土壤的实验工作不可缺少, 要研究分析并将其融合到设计方案中, 地埋管换热器设计计算是地源热泵系统设计所特有的内容, 由于地埋管换热器换热效果受岩土体热物性及地下水流动情况等地质条件影响非常大, 为保证地埋管换热器设计符合实际, 满足使用要求, 设计前应充分考虑建筑周边情况, 根据工程勘察结果评估地埋管工程的可行性与经济性、地下水位情况以及建筑容积率和建筑密度等影响。下面我将从几个方面分别剖析。

1 土壤源热泵技术的适用条件

其适合在北方地区且需要冬季供暖、夏季制冷同时使用的场所, 比如宾馆、写字楼、商场等采用中央空调系统来采暖制冷, 虽然冬季从大地土壤中持续取热约5个月, 使土壤暂时损失热量, 但在第二年的春、夏季间歇期可以从土壤源外围的大地缓慢给其补充热量。但由于间歇时间短, 往往不能达到其正常的能量状态, 以确保为下一采暖季的正常使用提供充足的能量, 因此, 就必须在夏季制冷时将建筑物的热量带回到大地中去, 继续给土壤补热, 虽然制冷时间约3个月, 比采暖季短2个月, 但加上土壤外围的自然补热, 还是能保证土壤恒温的基本需求。另外, 土壤源热泵技术也适用在低建筑密度、低容积率场所使用。比如, 安装使用中央空调的别墅, 其所服务的建筑物面积较小, 但土壤源地埋管占地面积大, 土壤源区域大地热量充足, 这样使用效果自然会很好。最不适用的场所是高容积率、高密度的住宅小区, 且建筑物未安装中央空调, 或安装了中央空调而住户不常使用, 这样的情况是所有不利条件叠加在一起, 由于夏季不能很好的给大地土壤补热, 而冬天又持续抽取土壤内大量的热量, 而大地的热量因建筑密度大而又不太充足, 周边土壤补热较慢, 会直接导致冬季采暖效果极差, 往往是前面一两个月还勉强可以使用, 但随后就从大地中抽取不了足够的热量来满足地源热泵主机正常启动, 进而使冬季采暖失败。因此, 我们说土壤源热泵技术并不是适合所有建筑物, 而需要因地适宜地选择性使用。

2 土壤源热泵技术初投资大的几个组成部分

首先是前期调研、勘察、试验、论证费用的投入, 其次是土壤源地埋管施工及配套土建工程费用、热泵机房及设备的组成费用以及供电费用, 其中相比传统供热方式最大的一项费用就是供电量增容费用, 由于土壤源热泵机组的用电负荷极大, 每台约需500 k W~600 k W, 因此供电负荷来源审批以及费用都是前期论证阶段要充分考虑的因素。

3 有待解决的部分技术问题

1) 如果换热器埋深过浅, 由于土壤上边部分是变温层, 变温在整个埋管深度方向所占的比例大一些, 可能会对换热的效果有影响。如埋地过深, 超过150 m, 换热量提升会很小, 满足不了换热要求, 不但会增加开挖工程量、增加钻井难度进而增加工程造价, 而且运行检修也比较麻烦。所以要进一步研究换热器埋深与土壤及地下水之间的关系。2) 地下水对地埋管的影响。因土壤中大量的酸碱成分与地下水交融, 对金属地埋管的腐蚀作用很大, 现规范大多采用的地埋管为聚乙烯 (PE) 管, 聚乙烯 (PE) 管是一种热塑性材料, 管材本身具有发生蠕变和应力松弛的特性, 传热性能也会受到很大削弱。因此, 应针对不同的土壤类型研制与之相匹配的埋管材料和专用防腐剂。3) 由于土壤的传热系数相比敷设埋地换热器要小的多, 所以会造成材料的大量消耗, 因此选择使用的经济性需进一步分析。目前因土壤与埋地换热器之间的换热机理还不十分明确, 埋地换热器的敷设方式与地源热泵系统的匹配还需进一步探讨。

4 土壤源热泵技术合理使用技巧

为防止大地能量不能持续稳定供给, 我们可以在设计阶段考虑匹配一定数量的配套辅助热源。比如:燃气锅炉可以应急, 也可在实际使用过程中让土壤源热泵和燃气锅炉配合使用, 利用峰谷电价差别的这一有利条件, 在夜间电价低位期间, 用土壤源热泵机组供暖;白天电价高位时, 使用燃气锅炉供暖;夜间让大地能量有休整补充的余地, 这样可以保证使用效果, 并且降低运行成本费用。另外, 将机组内部及机组与系统进行自动化控制, 可根据室外温度变化及室内温度要求控制机组启停, 并控制机组出水温度和回水温度, 达到最佳节能效果, 同时节省了人力、物力, 也可降低运行费用。

5 结语

土壤源热泵技术 篇5

回灌是将低渗透率的材料注入地埋管换热器与钻孔壁之间的环形腔内。回灌是通过有意识的努力形成水力封阻,即建立一个永久的地下水流动屏障,以避免地表水沿地埋管换热器产生竖直方向流动,避免不同含水层间水体互通。回灌是将钻孔屑和其他材料返填至钻孔内,目的在于填充钻孔体积,通常采用钻屑,对水力封阻无要求。回灌才是以在地埋管换热器钻孔全长度边界产生水力封阻为目的的施工工艺。尤其对于破碎基岩、承压含水层地质情况,回灌具有更重要的环保意义。

恰当良好的回灌可以保证可能被地埋管钻孔贯穿的含水层的卫生,可以保护承压水层的水量和水力特性,避免沿钻孔上溢。可以避免形成空气间隙带来的传热热阻增加,可以在长期运行后仍保持良好的传热特性。回灌质量的保证是土壤源热泵地埋管换热器换热效果保证的前提和根本。土壤源热泵地埋管换热器回灌施工工艺要求即是为保证回灌质量对回灌施工进行工艺梳理,对各个环节的技术特点和要点进行重点说明,以指导回灌施工操作,确保地埋管换热器的传热效果,同时保护地质生态环境。

1 回灌施工流程

地埋管换热器回灌施工流程是由实际项目的回灌施工具体步骤总结得来的,用于指导具体施工工作高效、有序、便捷的开展。施工流程可以明确各个环节需要进行的基础条件准备,具体环节的工艺技术要求和要点也在流程中予以重点体现,是指导回灌施工的框架(图1)。

2 回灌前准备工作

2.1 回灌材料准备

在以往的土壤源热泵项目中,各种材料被用来作为回灌材料,包括钻孔碎屑、钻孔泥浆、膨润土回灌料、纯水泥、混凝土回灌料、吸水树脂、砂子和泥沙混合物等[1,2,3]。但是经过多年的应用,从环境保护和实际操作的角度,膨润土基回灌料(膨润土或膨润土包含其他添加材料)和纯水泥基回灌材料(纯水泥或水泥包含其他添加材料)更为适宜,因此被广泛应用。回灌料的准备,要从材料选择、物性参数收集两个方面进行。

2.1.1 回灌材料选取

只有全面了解地埋管钻孔深度内的地层情况,才有可能形成有效的全长度密封。明确回灌密封要求的回灌材料选取原则,可以促进地下地层水文地质状况的恢复。结合各个行业中涉及到的钻井技术相关经验,得到回灌材料的选择原则包括:回灌材料应具有低于原有土壤一个数量级的水利传导系数。回灌材料应具有较高热导率以促进地埋管换热器和地层间的换热。回灌材料不含污染物。回灌材料的物理特性及化学特性必须与原有土壤及管材兼容,使二者较好的结合在一起,避免渗流产生。回灌材料必须具有良好的耐久性,在地埋管换热器的设计周期充分发挥水力屏障作用。

2.1.2 回灌材料物性参数测试

回灌材料根据地质条件和选取原则确定后,需要明确其物性参数。物性参数可由回灌材料生产商提供,若为施工单位自己配制的回灌材料,则需要对其物性进行测试,达到要求才可以应用。

物性参数里面比较重要的指标包括以下几项:

(1)渗透系数。

渗透系数又称水力传导系数,在各向同性介质中,定义为单位水力梯度下的单位流量,表示流体通过孔隙骨架的难易程度。渗透系数越大,透水性越强。回灌材料的渗透系数取决于其材料构成及比例。若无回灌材料产品的渗透系数参数,可参照ASTM D—5084测得。我国规范中GB 50366由于颁布时间较早,对于回灌料部分规定参考《2003 ASHRAE HANDBOOK HVAC Application》对此参数无明确要求。但英国、美国及加拿大等国的国家规范对回灌材料的渗透系数都有明确要求,不高于1 0-9m/s[4,5]。

(2)热导率。

热导率是指材料直接传导热量的能力。通常由回灌料生产商提供,若无此参数,则需通过实验室测试得到。由于膨润土基回灌料通常是松散的,对于这类回灌料推荐采用探针法测试,ASTM D-5335。水泥基的回灌料由于凝固后形成坚硬的整块,因此推荐采用平板法测试,ASTM C-177。当热导率大于1.3W/m·k时,回灌料可称为强化换热回灌料[6]。

(3)混合比例。

除了以上两个重要的物性参数外,对自制回灌料而言,尤为重要的一点,是控制好回灌料各成分的比例,膨润土基回灌料中,砂的比例增加,会提高热导率[7,8,9],但是会增加泵送的难度同时会影响渗透系数[10]。因此,若根据采用原浆及膨润土混合的自制回灌料,更应该慎重选择配比比例,严格进行参数测试。

2.2 回灌设备的选择

2.2.1 回灌泵的选择

回灌泵的选择取决于选用的回灌材料种类,导管的直径和长度、回灌料完成混合和需要泵送的速度。回灌泵压力必须满足导管阻力损失要求,以克服导管输配回灌浆压降,位置水头不是回灌泵需要考虑的主要问题。

回灌泵主要分为两类:容积式和非容积式。非容积式泵如离心泵,利用叶轮在流体中产生压力,将剪切力以非常高的速率施加于流体。对于泵送高固体比例的膨润土回灌浆时,这类泵是不可取的,因为剪切力会加速膨润土的水合过程,最终结果是严重升高泵压。

当回灌浆由许多运动部件组成的泵,形成一个液体密闭容积来传送,这类泵称为容积泵。容积泵运动部件间具有较小的偏差,以防止液体泄漏出泵体内的密闭容积。每次传动轴的旋转使一定体积的流体通过泵体传输,传输量与泵的尺寸有关。当泵在选定的恒定速度下,不考虑流出时压力变化时,容积泵可以提供连续的容积流量。容积泵可在低压头或者高压头情况下,提供一个不变的流量,因此它们非常适用于泵送粘性较大的流体,是回灌泵的较好选择。剪切作用被最小化,可以保证水合作用低速率发生,在回灌浆开始呈明显胶状前可以有较长的工作时间。至少有5种容积泵可以选用作回灌泵,包括齿轮泵、活塞泵、螺杆泵、隔膜泵和蠕动泵。

2.2.2 混合装置

混合高固体含量的膨润土基回灌料需要采用一种混合装置,以尽量减少泥浆的剪切作用。因此,喷射式混合和再循环混合方式都不推荐,浆式搅拌混合机是最适合的装置。浆式搅拌混合机是由短浆片在一个桶状容器内旋转将回灌浆进行机械搅动的装置。

水泥基回灌料则可以采用水泥搅拌机混合,按搅拌原理分自落式和强制式两类。由于钻孔和地埋管换热器之间的环形空间尺寸狭小,因此水泥基回灌料里面的骨料颗粒较小,属于轻质物料,且混合一般在项目现场完成,自落式会引发扬尘,同时轻质物料不容易从鼓筒顶部落下,因此选择强制式搅拌机更为适用。

2.2.3 辅助设备

很多工程实例中,回灌料是分批混合完成的,前一批次回灌料先传送到一个存储罐,当下一批次物料准备好时,前一批次直接从存储罐泵送出去。大容量的浆式搅拌混合机可能不需要将回灌浆传送到一个分离设置的存储罐中,但在泵送物料的同时搅拌器无法工作。

一套完整的回灌装置,包括一个浆式搅拌混合罐、一个回灌料存储罐、一个回灌泵和电源。由于混合回灌料时,需要准确添加混合水,通常这类装置还包括一个储水罐和输水泵及水表,以便于迅速精确的将水充满混合罐。

2.3 回灌体积估算

针对一个项目所需要的回灌料的体积取决于地埋管换热器和钻孔壁之间的环形体积。我们可以估算回灌这个环形体积的物料用量,但是无法得到准确数值。偏差可能由于钻孔壁向内侧膨胀,或者由于冲蚀或塌陷导致钻孔扩大。此外,由于地质条件的差异,回灌料在易碎岩层和高渗透性地质区域可能会损失很多,这将导致回灌体积显著高于计算值。施工单位必须在现场准备多于估算值回灌料,或者具备在短时间内准备好的能力,通常建议准备高于估算值25%至50%的回灌材料。

回灌体积是基于平均钻孔直径和U形管的尺寸来进行计算的。钻孔直径差别取决于钻孔机械,U形管外径取决于选用的管材及型号,用二者截面积差与钻孔有效深度相乘,可以得到估算的回灌体积值。

2.4 场地准备

(1)清理回灌孔附近区域场地。

回灌孔附近区域场地整理,做好钻孔内流体及泥浆的排除及收集工作,可以有效的提高工作效率,避免钻孔内被回灌浆置换出的流体重新流入孔内,保证同灌质量。

(2)动力条件准备。

检查场地是否具有便利的水、电条件,可以有效的保证回灌工作的开展,尤其注意动力条件与所需条件是否吻合,水源侧提供的水质、水压、水温、水量是否能达到回灌工作需要。电力需求的电压、电流等是否满足要求。

(3)设备及人员位置准备。

在回灌孔周围,按回灌流程及回灌设备连接顺序,准备好回灌设备的安装位置及人员的操作位置,要求场地具有充足的设备及人员操作空间,操作顺序上无掣肘环节。

(4)回灌材料存放场地准备。

无论是商业购买的还是现场配置的回灌材料,都需要存放的场地,由于回灌工作是逐个钻孔实施,回灌材料混合也是分批次进行的,因此可根据估算得到回灌料需求量及回灌速度,合理设置材料存放场地。

3 现场回灌工作

3.1 插入输配导管

回灌浆必须灌入地埋管换热器钻孔,从底部到顶部形成密封。回灌浆不能从顶部灌入钻孔,原因主要有以下三点:一是顶部灌入可能形成阻塞桥;二是无法判断回灌深度;三是回灌料经过低浓度的钻孔液体时,可能会被过度稀释。

当回灌浆经由导管注入钻孔底部并最终返浆至地表面的时候,可以认为回灌沿整个管长边界完成,较重的回灌浆置换了较轻的钻孔液体。

导管可以采用不同的方式插入钻孔内,如果没有钻井泥浆,没有或者仅有少量的水,导管可以被固定到U形管上一起插入钻孔。此处导管被绑在U形管的两管之间,略高于U形弯头,在靠近导管的流出端至少设有两个孔洞以降低堵塞的机率。也有很多实例证明,在U形管插入后,导管仍然可以很容易的插入钻孔内,这时需要在导管上标注钻孔深度,以确保导管完全插入钻孔底部。还要特别注意,要将流出孔设置在导管侧壁。

如果钻井液浓稠,回灌管必须固定到U形管上一起插入钻孔,可能还需要增加配重。配重可采用U形管内充满水、导管内充水、或者在U型弯头上部固定些配重铁条等方式。如果需要配重铁条,那么导管应固定到U形管上,位置略高于铁条。这样铁条可以在下管过程中保护导管末端避免剐蹭或堵塞。为避免导管阻塞,应在导管流出口管子侧壁上设置两个或更多的孔洞。如果需要大于一条的配重铁条,需要将其间隔布置,且与最底部保持一定距离,以降低U形管扭结机率,可以更好的处理U形管一导管一配重条系统下管过程。

插入导管还可以采用加重推杆,推杆连接在线缆上并与U形管的最低端连接。导管固定到U形管上,这样在插入过程中遇到阻碍不容易分离。推杆降低进入钻孔,当U形管和导管已经强制进入钻孔底部后移除推杆。

3.2 回灌材料混合

恰当的混合回灌料是成功回灌的重要基础。混合用水的水质、水温、水量是三个关键因素。

水中氯的含量过高会延迟水合过程,因此,推荐采用饮用水混合膨润土基回灌料以确保恰当的水合特性。地表水和具有较高矿物质溶解物的水不应使用,因为这会给回灌料的特性带来不利影响。水的温度也十分重要,应尽量保持低水温以避免膨润土基回灌料水合过程加速。如果混合水在现场储水罐里保持,那么应置于阴凉无日照处,以尽量避免温度增加。水温越高,水合速度越快,在给定泵送流量的前提下,需要的泵压越高。如果采用购买的回灌材料,需遵循生产商给出的混合方法指南。如果掺混了过量的水,则混合物过稀,无法保证换热效果,地埋管换热器不能达到设计工作能力,过多的水还会导致回灌料的渗透率高于预期数值。如果水量低于推荐值,则回灌料非常厚重难于泵送。尤其对于强化换热回灌料采用水表来精确控制混合水量以达到生产商的推荐值是十分重要的。

另外,回灌料混合速度是制约回灌流程效率的因素。应确保混合速度与泵送速度相吻合,未混合好的回灌料会以膨润土干团的形式强制通过导管,将导致回灌泵超压,同时导致回灌材料的混合不均一。如果混合过程制约了泵送,增加中间存贮罐则成为最佳的解决方案。

3.3 泵送回灌材料

在回灌材料混合完成后,即可开始泵送工作。回灌泵的吸入及排出口软管应具有足够的尺寸以减小摩擦阻力同时降低阻塞机率。吸入和排出软管与泵连接推荐采用快速连接式联轴器,以便于解决软管堵塞时更快捷便利。在整个泵送回灌过程中,泵的排出口应装有压力计以监测运行,保证运行压力始终低于软管及管道的承压等级。如果发生突然的压力升高可能意味着导管堵塞,应立即检查阻塞原因,阻塞通常是由灌浆水合、导管末端堵塞或导管某处被挤压导致的。

回灌过程中泵的压力变化也可以反映回灌材料混合的是否恰当。如果泵压高于平时,说明可能混合水的水温过高,或者回灌料中固体成分高于要求值。如果泵压低于平时,说明可能混合水量过大,固体成分回灌料比例过低,无法充分实现回灌作用。

3.4 移除导管

在地层条件稳定的情况下,钻孔可以保持敞开状况一段时间,回灌泵送在同一天内完成即可。在地层条件不稳定的情况下,如钻孔可能有塌陷,回灌则需要在放入导管后马上进行。无论在哪种情况下,在完成一个阶段的回灌后,导管应以回灌相同的速度向上拔出,这样可以减小作用在导管出口的静压水头,降低导管由于回灌料水合作用而被吸入钻孔内的机率。但过程中导管出口应始终保持在回灌料平面以下。

4 回灌后整理工作

(1)回灌设备清理及场地整理

回灌完成后,应尽快对混合装置、泵、辅助设备、软管和固定件进行清理和维护。可以采用高压水柱对混合装置及存储罐进行冲洗,清除内部残留物。回灌泵和导管也通过泵送清水来冲洗掉内部附着的回灌材料。

场地恢复是回灌工作完成后工作量最大的一项任务。各类施工设备、辅助器材、配件管材、剩余材料的需要逐一进行整理,有序移除,恢复场地平面。泵入回灌料置换出的钻孔泥浆需做好集中收集,而不是让它随意的在项目场地四处流淌,有助于改善现场工作环境,同时使场地恢复工作更加容易。

(2)记录及报告的填写

竖直地埋管安装及回灌流程完成后,回灌材料类型和回灌流程应该以报告形式记录下来。报告应提交给系统的所有者和使用者,同时存档以供未来参考。

5 结束语

土壤源热泵竖直地埋管换热器的回灌是土壤源热泵施工中最重要的环节,是保护环境和保障换热器换热能力的关键点。由于竖直地埋管安装回灌后,属于地下隐蔽工程,检测回灌质量和密实度具有一定难度,因此,提高回灌施工质量,严格控制回灌施工流程中的各个环节,从源头上避免问题的发生,具有格外重要的意义。

本文结合国内外土壤源热泵竖直地埋管回灌施工的经验,梳理了回灌施工的流程,并对各个环节需要执行的工作和需要注意的问题进行了说明,旨在通过提出竖直地埋管回灌施工工艺技术要求,完善施工前期工作的准备,加强对回灌施工过程的指导,通过对施工细节的把握,确保回灌施工的质量,为施工单位未来开展工作提供参考。

参考文献

[1]张旭,高晓兵.华东地区土壤及土沙混合物热导率的实验研究[J].暖通空调,2004,34(5):83-85.

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[9]庄迎春,孙友宏,谢康和.直埋闭式地源热泵回填土性能研究[J].太阳能学报,2004,25(2):216-220.

住宅土壤源热泵应用研究 篇6

1.1 地源热泵

地源热泵[1~2]是以大地中的储存的低品位能源为冷热源的一种热泵形式, 它充分利用大地浅层地热资源, 既可以制冷又可以供热, 节能环保, 目前在很多地方应用广泛。在冬天取暖时, 流体从水、土壤等介质中收集热量, 再通过系统把热量带到室内地源热泵系统, 利用水、土壤等的蓄热能通过水或盐水溶液等中间介质在封闭的地下埋管换热器中循环流动, 从而实现与大地的热交换。其运行机理为:冬季通过热泵将大地中的低品位能量处理后为建筑物内供暖, 对冷量进行贮存, 留作夏季使用;夏季通过热泵将建筑物的热量传送至大地中, 从而实现建筑物致冷, 对热量进行贮存, 留作冬天采暖。

1.2 土壤源热泵

和地下水源热泵和地表水源热泵相比, 土壤源热泵系统更为环保, 基本不受环境、气候、水质以及地下水位的影响, 较适宜在城市中应用。土壤源热泵系统地下热交换器的布置形式主要有垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三种。垂直埋管换热器采用较多, 其连接形式为U形方式, 其埋管深度一般有30m内 (浅层) , 30~100m (中层) 和100m以上 (深层) 。

2 土壤源热泵在住宅中的应用

2.1 土壤源热泵的适用性

土壤源热泵埋管所需的地面面积要远远小于水平埋管方式, 但埋管时需要向地下打井, 初投资较高。尽管竖直埋管的方式可以减小埋管所需的地面面积, 但由于管内循环液与土壤之间的换热系数较小, 因此需要较多的埋管数量以增大换热面积竖直埋管也需要相当多的地面面积, 难以获得足够的土壤换热器施工面积是土壤源热泵主要的限制因素, 所以, 这种系统适合于建筑密度及容积率比较低的建筑, 如住宅和别墅。

2.2 土壤源热泵在住宅中的一机多用

对于住宅, 土壤源热泵不仅可以实现供暖和制冷, 还可以供应生活热水, 做到一机多用。土壤源热泵由于冬夏季冷热负荷不同, 会产生排热量和取热量差异, 长期运行会导致土壤的热不平衡, 从而影响热泵系统效率, 并对生态环境也会产生一定影响。因此需对地源热泵进行热平衡处理, 如夏季负荷一般大于冬季负荷, 夏季多余的部分负荷不排入土壤, 直接采用冷却塔或者由额外的热泵机组承担, 或者将这部分多余的热量用来制成生活热水。

2.3 住宅土壤源热泵的绿色热泵技术

有关研究证实, 地表3~4m以下土壤温度基本稳定, 仅受年平均气温的影响, 地下土壤热容量较大, 是天然的热源和排冷存热的场所, 这都是热泵运行极其有利的基础。大部分地区的土壤年平均温度约为16~18℃, 夏季时户外的埋地盘管作为冷凝器, 空调排出的35~45℃的出水, 与地下十几度的土壤进行热量交换, 温度的交换效率远高于普通的冷却塔, 制冷系数大大提高, 空调运行时不在大气环境中排放热量, 水蒸气及细菌等, 对环境不造成任何破坏。冬季运行时, 室外埋地管作为蒸发器, 和大地热交换后, 蒸发器内循环水的温度比室外气温高很多, 供热系数和效率大提高, 冬天使用不用担心类似空气源热泵的结霜问题。所以, 土壤热泵夏季在岩土中蓄热, 冬季从岩土中吸热, 冬夏季循环使用, 就形成了“绿色热泵技术”。

2.4 住宅土壤源热泵更加环保和节能

从消费者的角度来说, 地源热泵系统的运行效率要比传统空调系统高, 运行费用可以比传统的中央空调系统大致降低25%, 最多可以降低50%, 用地源热泵系统制冷的情况下, 运行费用比传统的中央空调也会降低10%~30%左右, 严寒地区, 土壤源设计更接近设计工况运行, 随着室外温度的降低, 土壤源热泵系统能耗上升的幅度小于电热膜系统, 更加节能[3]。因此, 消费者用于空调采暖方面的支出会大大降低。另外, 地源热泵系统在夏季制冷时, 没有任何气体排放到大气中, 采取地源热泵的小区城市热岛效应;冬季供暖时, 不需要锅炉, 无燃烧产物排放, 可大幅降低温室气体排放;热泵与土壤只发生热量交换, 不会引起水资源的消耗。

3 住宅使用土壤源热泵的影响因素和局限性

3.1 气象因素、地质水文因素对热泵系统设计的影响

气象要素包括气温、降雨量和空气湿度。其影响主要表现以下几个方面[4~5], 年极端气温、年平均气温、运行期间降雨量、冻结影响对土壤源热泵埋管而言, 影响其设计地质和水文地质因素主要有潜水水位、岩性、结构、孔隙性等[4~6]。对于严寒、寒冷地区土壤源热泵的应用, 埋管内流动介质的防冻处理特别重要, 埋管从大地中取得热量导致的土壤冻结也会对地源热泵性能造成不利影响。地埋管设计的优劣是影响地源热泵工程质量的关键, 在实践中, 应当对现场水文地质认真研究、论证, 综合地考虑地区气象、地质、水文地质因素, 优化设计井数、井距和井深, 选择合理的钻井工艺和回填材料, 使系统发挥最大的经济和环境效益。

3.2 土壤源热泵的局限性

土壤源热泵还存在一些不足之处, 主要有以下几个方面: (1) 土壤源热泵空调系统钻井对土壤热、湿及盐分迁移研究不够。 (2) 地源热泵技术涉及暖通空调技术、钻井技术等, 这要求工程组织者和工程技术人员能够充分协调。 (3) 地源热泵系统初投资较高, 有的钻井费用可能达到整个系统初投资的50%以上, 必须因地制宜, 考虑经济合理性。 (4) 土壤的特性随地点的变化而有所差别, 在某一区域的研究结果可能完全不适用于另一区域, 必须进行相应的修正甚至重新研究。 (5) 土壤源热泵系统适合夏热冬冷且夏冬冷热负荷相当的地区[7], 如冷热负荷悬殊过大则对深层土壤易产生冷热过度聚集。

4 结语

土壤源热泵通过埋地管与大地进行热交换, 达到夏季制冷、冬季取暖的目的。带有除湿新风的末端系统使室内空气品质高、温湿度适宜, 是当前认可的高舒适度空调形式。该系统尽管初始投资比稍高于传统电空调等, 但它的高效节能和环境效益己成为高舒适性空调系统发展的新趋势, 必将在住宅、办公等场所得到越来越广泛的应用。

摘要：本文研究分析了土壤源热泵在住宅项目中的应用, 分析在住宅工程中如何选取地源热泵形式, 在工程中应注意的问题。

关键词：住宅,地源热泵,土壤源

参考文献

[1]郁永章.热泵原理与应用[M].北京:中国建筑工业出版社, 1988:11-19.

[2]张旭.热泵技术[M].北京:化学工业出版社, 2007:142-149.

[3]张敏, 姚杨, 张斌.某住宅建筑采用不同采暖系统的能耗分析[J].低温建筑技术, 2008 (2) :136-137.

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[5]刘宪英, 丁勇, 胡鸣明.浅埋竖管换热器地热源热泵夏季供冷试验研究[J].暖通空调, 2000, 30 (4) :1-4.

[6]魏先勋, 等.土壤源热泵的研究[J].湖南大学学报:自然科学版, 2000, 27 (2) :62-65.

结合工程实例谈土壤源热泵系统 篇7

目前, 能源问题已成为政府和全社会共同关注的问题。我国与同等气候条件国家相比较, 建筑物能耗要高出2~3 倍。而在全社会能耗中, 建筑能耗占30%以上, 其中, 空调能耗占50%以上。从2000 年以来全国城市建筑开发量平均每年在10×108m2以上, 其中, 住宅 (4~6) ×108m2/a, 公建 (5~6) ×108m2/a, 现在已经达到接近20×108m2/a的开发量。所以, 建筑节能在解决能源危机中发挥着不可忽视的作用。

2 工程介绍

1) 工程概况:某工程总建筑面积99 995.85m2, 其中, 地上77765.95m2, 地下22229.9m2。由业务服务中心、服务中心、客服中心、宿值室2 栋、管理及业务维护用房2 栋、生产用房2栋、武警营房和油机房多部分组成。最高建筑高度18.1m。

2) 基础数据:夏季建筑物总冷负荷为5 715.8kW;冬季空调总热负荷为3909.8kW。

根据建筑物的特点, 对建筑进行全年逐时负荷计算, 其结果如图1 所示。

3 土壤热泵系统设计

3.1 土壤热泵系统原理及其特点

3.1.1 土壤热泵系统原理

土壤热泵系统采用垂直埋管方式, 利用地下浅层土壤温度常年保持在10~20℃左右的特点, 通过地下埋管管内的介质循环与土壤进行闭式热交换达到供冷供热目的。

夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下, 对建筑进行降温;冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑供暖。系统工作原理如图2 所示。

3.1.2 土壤热泵系统特点

土壤热泵式中央空调系统是以大地为冷源、热源对建筑进行空气调节, 该系统利用了地球表面浅层地热资源, 冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑供暖;夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下, 对建筑进行降温。利用这种技术, 与其他的能源形式相比, 其突出的优点在于:

1) 采用可再生能源利用技术

土壤源热泵是利用了地球表面浅层地热资源 (通常小于400m深) 作为冷热源, 进行能量转换的供暖空调系统。

地表浅层好象1 个巨大的太阳能集热器, 收集了47%的太阳能, 比人类每年利用能量的500 倍还多。这种近乎无限、不受地域、资源限制的低焓热能, 是人类可以利用的清洁可再生能源。并且地能不象太阳能受气候的影响, 也不象深层地热受资源和地质结构的限制。另外, 土壤源热泵冬季供暖时, 同时对地能蓄存冷量, 以备夏用, 夏季空调供冷时, 又给地能蓄存热量, 以备冬用。因此说土壤源热泵是可再生能源利用技术。

2) 属经济有效的节能技术

地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定, 冬季比环境空气温度高, 夏季比环境空气温度低, 是热泵很好的供热热源和供冷冷源, 这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高, 供热时比燃油锅炉节省70%以上的能源;制冷时比普通空调节能40%~50%。

3) 环境效益显著

土壤源热泵系统全部为闭式循环, 不抽取地下水, 不会造成地下水的污染以及地表下陷;热泵的运行没有任何污染, 没有燃烧, 没有排烟, 也没有废弃物, 不需要堆放燃料废物的场地, 且不用远距离输送热量。可以建造在居民区内, 适应社会对能源的发展要求。

4) 地源热泵空调系统维护费用极低

在同等条件下, 采用土壤源热泵系统的建筑物维护费用非常低。土壤源热泵系统的地下换热器埋于地下, 可保证系统运行50a, 运行过程中免于维护, 从而节省了维护费用。

5) 一机多用, 应用范围广

热泵机组即可制冷、供暖, 还可回收利用机组的冷凝热供生活热水, 1 套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。

3.2 系统设计

土壤热泵机组夏季为系统提供的供回水温度为7/12℃, 冬季供空调用50/45℃热水。

地源热泵设在6B7B#楼地下1 层制冷机房内, 其工作示意图见图3。

3.3 主要设备选择

根据该项目的特点 (6B7B#楼通信设备的发热量较大, 可回收利用的余热可基本满足本项目的卫生热水的热量需求) , 非通信机房楼的冬夏季空调负荷全部由土壤热泵系统承担。

土壤热泵机组的选择:

选用3 台螺杆式土壤热泵机组, 每台机组夏季制冷量1 905.3kW, 空调供回水温度7/12℃, 地下换热器供回水温度30/35℃;冬季制热量1 635kW, 空调供回水温度50/45℃, 地下换热器供回水温度0/-4℃。

3.4 地下换热器系统配置

地下换热器系统配置如下:

地下换热器数量:800个;

地下换热器形式:双U竖直埋管形式;

地下换热器有效深度:100m;

地下换热器地质:按砂土、黏土考虑;

地下换热器管材:dn32的PE100, 承压1.6MPa;

地下换热器需打孔面积:约2.88×104m2。

3.5 主要设备 (见表1)

3.6 初投资

经相关单位估算该系统总的初投资约1 156 万元 (不包括土壤热泵机组) 。

4 方案比较

4.1 常规空调加燃气锅炉系统

4.1.1 方案概述

常规空调加燃气锅炉系统夏季空调冷负荷完全由离心式冷水机组承担, 冬季空调热负荷完全由燃气锅炉承担。

4.1.2 主要设备选择

夏季选用2 台离心式冷水机组, 冬季选择2 台燃气锅炉。主要设备如表2。

4.1.3 初投资

对系统初投资估算如下:系统总的初投资约300.75 万元 (不包括离心式冷水机组和燃气锅炉) 。

4.2 常规空调加城市热网系统

4.2.1 方案概述

常规空调加城市热网系统夏季空调冷负荷完全由离心式冷水机组承担, 冬季空调热负荷完全由城市热网承担。

4.2.2 主要设备选择 (表3)

4.2.3 初投资

对系统初投资估算如下:系统总的初投资约479.75 万元 (不包括离心式冷水机组和板式换热器) 。

4.3各方案经济比较 (见表4)

比较基准:

1) 运行时间:夏季运行90d, 每天运行10h;冬季运行150d, 每天运行12h。

2) 土壤热泵电价:0.50 元/ (kW·h) , 常规空调采用商业非峰谷电价:0.80 元/ (kW·h) , 天然气价:2.4 元/m3。

3) 空调负荷系数取0.7。

4) 计算公式:

夏季=90×10×0.7×电价×耗电量

冬季=150×12×0.7× (电价×耗电量+2.4×天然气耗量)

5 结论

从以上比较中可以看出, 虽然常规空调在初投资上具有优势, 但是运行费用很高, 土壤热泵与常规空调相比, 投资回收期约为5a。

经过上述方案比对, 最终将土壤源热泵系统作为空调系统冷、热源。

参考文献

[1]GB50736-2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S].

[2]DB 11/687-2009公共建筑节能设计标准[S].

土壤源热泵系统的适用性分析 篇8

关键词：土壤源热泵系统,适用性,土壤温度,施工场地

1 概述

随着我国建筑节能的推进和对可再生能源的日益重视,随着《中华人民共和国节约能源法》和《中华人民共和国可再生能源法》的颁布和实施,在近年来我国的地源热泵发展迅速,尤其以上海、南京、杭州等华东地区以及北京、天津、西安等西北地区尤为典型,已经成为我国建筑空调冷热源中不可再被忽视的一种力量。

地源热泵系统分为地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统、土壤源地源热泵系统。地下水地源热泵系统因其大面积使用对地下水和地下地质结构的破坏性,地表水地源热泵系统也以具备合适的水温水量和水质的水体为实施的先决条件以及运行费用的不节约等因素,这两种地源热泵系统的应用存在一些制约因素。而土壤源热泵由于采用土壤换热器换热的闭式循环,虽然造价有所上升,但在土壤温度适合的地区容易具备实施的条件,同时闭式的循环系统不会对环境和地下水造成影响。因此在近年来土壤源热泵已经逐渐成为地源热泵系统的主要形式。本文以土壤源热泵系统为讨论对象,分析影响其实施的主要因素。

2 土壤源热泵技术上的适用性

其主要取决于工程所在地的土壤温度、建筑物负荷情况、地质情况以及是否具备充足的地埋管换热器施工场所。适中的冬夏都可利用的土壤温度、较稳定的冷暖负荷、较少风化岩石和富含流动性好地下水的地质情况是采用土壤源热泵的理想条件。难以获得足够的土壤换热器施工面积是土壤源热泵主要的限制因素。

2.1 土壤温度

合适的土壤温度是土壤源热泵实施的基础条件。13 ℃～19 ℃的土壤温度比较适宜。过高的土壤温度用于持久制冷的潜力较小,因为其土壤温度在地源热泵持续一段时间达到稳定后土壤换热器周围的土壤温度已经高于常规冷却塔系统,这样换热器内循环流体能获得的温度差急剧间距减小,导致热泵机组效率下降。过低的土壤温度虽有利于制冷,但不利制热,在寒冷地区的土壤源热泵必须在换热器内循环水中添加防冻剂,且热泵机组效率下降,换热器埋管数量增多,占地面积增大,投资增加。

2.2 建筑物负荷

1)适宜采用土壤源热泵技术的是处于夏热冬冷地区以及寒冷地区的部分建筑。这些地区的土壤温度适中,大致在13 ℃～19 ℃之间且全年基本稳定,冬夏季节都可采用土壤源热泵作为空调系统冷热源。夏热冬暖地区由于没有供暖需求不能体现热泵机组冬夏两用的经济性,严寒地区地源热泵又不能很好的满足高温高负荷的要求,同时夏热冬暖地区及寒冷地区全年从地下的取放热量相差悬殊,长期运行容易形成土壤温度失衡。我国的土壤热泵的适用地区非常广泛,包括上海、江浙、江西、湖南、湖北、四川、河南南半部、陕西等。2)土壤源热泵较适合的建筑物类型是负荷波动小,使用稳定的中等规模住宅、酒店、办公楼、别墅等,不适宜用于负荷使用随机性高或负荷较大的会堂、剧院等。3)土壤源热泵系统较适用于全年有生活热水要求的酒店、游泳池等,可将夏季空调需排至地下的热量回收利用于卫生热水。环保、节能且利于全年从地下的取放热量平衡。4)土壤源热泵系统的规模不宜过大或过小,每个系统在3 000 m2～50 000 m2比较适宜。系统过大因地埋管换热器水系统距离过远,输送能耗增大,水力难以平衡;过小则相对初投资过高,系统利用率较低。5)土壤源热泵系统不适用于高能耗建筑。因为土壤源热泵系统比常规系统初投资大大增加,每平方米的造价大约增加50元～100元不等,因此对于有洁净要求、高除湿要求或较低空调设定温度的高负荷建筑,采用土壤源热泵是不经济的。

2.3 地质情况

土壤换热器的性能在不同地质条件下差别较大。理想的地质条件是较高的导热系数、热容量高、较高的土壤含水率及迁移速度。一般各类岩石的导热系数最大,砂土次之,黏土最小,但是由于岩石孔隙率低导致含水量低,因此岩石用于土壤换热器的持久性最差,黏土次之,砂土最好。

2.4施工场地

土壤换热器施工面积是土壤源热泵主要的限制因素,在土壤源热泵系统基本条件具备后,需要确定埋管形式是垂直埋管还是水平埋管。当可利用地表面积较大,浅层岩土体的温度及热物性受气候、埋设深度影响较小时,宜采用水平地埋管换热器。否则,宜采用垂直地埋管换热器。垂直地埋管换热器埋管面积需按最大释热量或最大放热量及管与管之间最小间距确定。在没有合适的室外用地时,竖直地埋管换热器还可以利用建筑物的混凝土基桩埋设,即将U形管捆扎在基桩的钢筋网架上,使U形管固定在基桩内,但此方式受施工工期限制。

参考文献

[1]徐伟.可再生能源建筑应用技术指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2]美国制冷空调工程师协会.地源热泵工程技术指南[M].徐伟,译.北京:中国建筑工业出版社,2001.

土壤源热泵技术 篇9

1.1 可再生能源的发展趋势

据统计,我国建筑用能已超过全国能源消耗量的1/4,并将随着人民生活水平的提高而进一步增长[1]。如何减少建筑中的能源消耗量,如何建造新型“绿色建筑”,已成为我国甚至国际上广泛讨论的话题。而近几年来,我国政府大力推广“节能减排”的政策,使得可再生能源的概念深入人心。与不可再生的煤炭、石油、天然气等资源相比,可再生能源有很大的优势,具体表现如下:

1)来源广泛。包括太阳能、土壤、地下水、地表水及污水等,是普遍存在的能源。2) 环保无污染。避免了由于燃烧化石燃料造成的烟尘、固体废弃物对环境的污染,是真正的“绿色能源”。3)避免了能源品位退化。直接应用不可再生能源给建筑制冷供暖能效很低,由于其具有不可再生性,更是一种能源浪费。此外,借助热泵技术的应用,使得能源的利用效率大大提高。继欧美之后,我国也已开始大力发展基于水源、地源的热泵技术。

1.2 土壤源热泵系统原理

土壤源热泵系统被ASHRAE归纳为地热资源的三种利用方式之一,一般由三个子系统构成,包括低位冷热源系统、热泵机组和末端系统。系统从埋管形式上可分为垂直埋管和水平埋管,工程中多用垂直埋管,即钻孔打井后在井内埋设U形管或同心套管,这种方式可以节约土地面积。冬季,地埋管从土壤中吸取热量进入机组,再通过系统末端向建筑物供暖。夏季时将热量释放到土壤中,向建筑物制冷,通过转换阀门即能起到冬、夏工况转换的功能,且该系统同时还能制备生活热水,可实现建筑夏季供冷、冬季供暖、全年提供热水的“三联供”。

1.3 土壤源热泵应用优势

1)能量消耗低,经济实用。2)产生污染小。3)无冷却塔或室外压缩机等,换热管埋于地下,不破坏建筑美观。

2 土壤源热泵间歇运行实验

2.1 实验装置及测试系统

主要实验装置包括3个直径110 mm,深度50 m的竖井,分别是测量地温分布及变化的0井、回水管不带保温的换热井1井,带保温(地面至井下30 m U形出水管保温)的换热井2井,井内分布有热电偶以测定不同土壤深度的温度分布。1)温度测试。共布置32只铜—康铜热电偶温度传感器,温度测点分布为:1井布置5个热电偶;2井布置8个热电偶,其中保温部分内外均布置热电偶;0井布置15个热电偶,其中有5个为备用——间隔10 m一个;另外1井、2井进出水管路分别布置1个热电偶(共4个),以测量1井、2井进出水温度。热电偶所测温度值由数据采集装置、计算机以及相应软件构成,热电偶测温分辨精度为0.1 ℃。此外,为了控制水箱内水温符合实际工程情况,需要测量加热水箱内水温,在两个加热水箱上设置两个量程为0 ℃～50 ℃的水银温度计。2)流量测试。将两只LZB-40型玻璃转子流量计接入系统中分别测量1井及2井热泵系统循环水的流量。流量计测量范围:0.16 m3/h～1.6 m3/h,测试精度0.04 m3/h,承压0.6 MPa。3)辅助装置。经计算后,选择两台额定流量1 m3/h,额定扬程15 m的单相自吸漩涡泵作为循环水泵。并采用两台完全相同的电加热水箱模拟实际的热泵机组,尺寸为250×250×300(长×宽×高)。

2.2 实验内容

1)间歇运行地温恢复的实验。

2008年4月9日9:00开始运行,流量为0.82 m3/h,18:00停止运行。4月10日9:00继续开机运行。记录从运行开始到第2天再次运行的24 h之内不同土壤深度的温度变化情况,具体数据见图1。

由图1可知,在开机运行的9 h内,土壤温度呈上升趋势,在运行后第9小时,即18:00时土壤温度达最大值。此后系统停止运行,土壤温度逐渐下降,实验进行至15 h后,土壤温度基本稳定。可以看出,实验进行24 h后,土壤温度比实验前略高,说明停止运行的15 h内土壤温度没有完全恢复,而是有一部分热量储存在土壤中。此外,从图1可以看出,实验开始前不同深度土壤温度基本相同,开始运行后,不同深度的土壤温度也不相同。根据24 h不同深度的土壤平均温度可知,10 m处土壤由于比较接近空气,因此温度较高。从20 m～40 m,随着土壤深度加大,温度也随之升高,在40 m左右达到最高,此处换热效率也相对最大。而50 m处由于换热器内流体温度接近周围岩土温度,因此土壤温度最低,即此处换热量相对最小。

2)1井(不保温)与2井(保温)相同工况下换热量比较。

系统于2008年4月9日9:00开始运行,流量为0.82 m3/h,18:00停止运行。根据公式:Q=cp·m·(tg-th)。

其中,Q为地埋管换热器与土壤的换热量,W;cp为循环水的定压比热,取4.187 kJ/(kg·℃);m为循环水的质量流量,kg/s;tg为地埋管换热器的进水温度,℃;th为地埋管换热器的出水温度,℃。

根据运行过程中各个时刻的进、出水温度,可计算得出非保温井1井和保温井2井在同一工况、相同时刻的换热量。如图2所示,在相同时刻,保温井的换热量远大于不保温井的换热量,且二者随时间的变化趋势基本相同,说明出水管经过保温后,土壤源热泵换热量可以显著提高。因此在实际工程中,为了使土壤源热泵达到良好的运行效果,应尽量采取保温措施,以提高换热效率。

3 土壤源热泵应用的实际问题

1)冷热负荷不平衡问题。土壤源热泵可以看作是一种把热量储存在土壤中再重复利用的系统,但是由于南方冷负荷大于热负荷,夏季储蓄在土壤中的热量冬季不能够完全释放,这样会造成热量在土壤中的累积,使用几年后会影响地埋管的换热效果。而北方地区热负荷大于冷负荷,情况正好相反,为了保证土壤源热泵系统的长期稳定运行,在一个取热—排热周期中,应尽量保持从地下的取热量和向地下的排热量基本平衡,这就需要准确计算建筑热负荷,从而确定系统形式,进行机组选型等。2)地埋管长度也对换热有很大影响,当进水管流体下降到某深度后,水温接近岩土温度,换热器内流体与周围岩土不发生工程意义上的换热。在负荷的影响下,地埋管换热器的流量应在一个范围内发生变化。流体进入地埋管换热器后,当流体温度下降至温差传热基本消失,换热器将达到最大换热量[3]。3)尽量注意地埋管的保温,根据上述实验,保温后对土壤源热泵的影响较大,可显著提高系统与土壤的热交换量,换热效果更明显。

摘要：介绍了地源热泵系统的发展、原理及其应用优势,在此基础上进行了相关实验,并对测试结果进行了分析,实验表明系统运行时,不同深度土壤温度不同,且回水管保温后可提高换热量,并且提出了地源热泵应用时应注意的相关问题。

关键词：地源热泵,温度测试,实验研究,应用

参考文献

[1]马重芳,王伟,王晓涛,等.热泵应用的战略意义和技术问题[J].地源热泵,2007(4):25-28.

[2]赵军,戴传山.地源热泵技术与建筑节能应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[3]王勇,刘方,付祥钊.基于层换热理论的竖直地埋管换热器设计方法[J].暖通空调,2007,37(9):35-39.