换热器原理
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浅层地热能在合肥地区的推广及应用点击：2061 日期：[ 2014-04-26 21:35:39 ] |
| 浅层地热能在合肥地区的推广及应用 李清1，李益湘2 （1机械工业第一设计研究院，安徽蚌埠233000；2安徽省国土资源厅，安徽合肥230088） 摘要：根据合肥地区的水文与工程地质条件，研究浅层地热能在合肥地区应用的适宜方式，并结合工程实例，对浅层地热能应用的地源热泵空调系统中的地埋管换热器设计、自动控制与监测、运行控制等关键技术进行了探讨，旨在合肥地区推广应用浅层地热能，实现浅层地热能与地源热泵系统、建筑空调系统相匹配。 关键词：水文与工程地质；地源热泵；地埋管换热器；监测；运行与控制 中图分类号：TK5；TU833.3文献标志码：A 文章编号:1005－6157(2010)04－0283－4 0·引言 浅层地热能是一种清洁可持续利用的能源，地源热泵技术是利用这种能资进行供热与空调，可以有效地提高一次能源利用率，减少温室效应气体CO2和其它燃烧产生的污染物的排放，是一项适应节约型社会，循环型经济的先进技术。在目前国家大力推广创建节约、节能型社会的大背景下，地源热泵作为空调领域的新技术，是完全符合可持续发展战略需要的绿色空调技术，具有广泛的发展前景。合肥地区地处长江中下游，属于典型的夏热冬冷地区,极端最高气温41.℃，极端最低气温-13.5℃，冬季月平均气温在1.5~5.0℃之间，夏季7月平均气温为27.5~29℃左右，多年平均气温15.7℃。随着经济的快速发展和人们生活质量的不断提高，要求建筑物夏季供冷、冬季供暖来满足人们的舒适性要求。合肥地区浅层地热资源丰富，利用地源热泵技术不仅具有夏季供冷、冬季供暖的双重功能，而且节能、环保，是本地区建筑空调冷热源较为理想的形式。笔者根据合肥地区水文地质工程地质状况，提出合肥地区可适宜的地源热泵空调系统。 1·水文地质工程地质条件 合肥地区位于安徽省中部，地处北亚热带季风气候区，多年平均降水量约为998mm，水资源自然条件较好,地表水系较为发达,主要地表水体有南淝河及其支流、董铺水库、大房郢水库、巢湖西半湖及部分市区湖泊（包括人工湖）等。 合肥地区属于江淮波状平原区，区内基岩地层主要为侏罗系、白垩系地层，次为古近纪地层。其中古近系定远组（E1dy），主要分布于合肥城区及其东南；白垩系张桥组（K2^z），在合肥地区广泛分布；岩性主要为砂岩、泥岩，自下而上又可细分为二段，上段为强风化、中风化，岩石硬度较低，下端为微风化、未风化，岩石完整性较好，硬度中等。另外零星分布玄武岩等火山岩。基岩地区地下水位较浅，水质好，无腐蚀性，地下水恒温层埋深4~5m，地下水温度18~20℃。，浅层（200m以浅）无大范围含水层，地下水总体较为贫乏，单井日出水量一般小于100m3，仅局部地区发育构造裂隙水和风化裂隙水，日单井出水量大于100m3。区内第四系松散层覆盖大部分地区，以粘性土为主，地下水较为贫乏，单井日出水量普遍小于100m3，地下水水位较浅，水质好，无腐蚀性，地下水恒温层埋深3~4m，地下水温度18~19℃。其中，中更新统粘土（Q2），由青灰、灰白色厚层粘土或亚粘土组成，上更新统（Q3），由棕黄、褐黄色亚粘土、粘土组成，地貌多为岗地、阶地。全新系(Q4)，由灰黄、黄褐色粘土、亚粘土、亚砂土及细纱组成，地貌大部分为河漫滩，局部地区地下水较为丰富，可采用水源热泵。 2·资源利用现状 浅层地热能采用地源热泵系统加以利用，根据系统的循环介质分为地下水地源热泵系统；地表水地源热泵系统；土壤源（地埋管）热泵系统。 根据合肥的水文地质条件，本区域含水层富水性差、大部分地区地下水较贫乏，地下水回灌困难，除南淝河河漫滩等富水区外，大部分地区不适宜用地下水水源热泵系统。 本区域地表水系较为发达，但由于地表水温度受气候的影响较大，水体必须有一定的深度和容量，因此在合肥地区只有靠近较大自然水体或人工水体附近，才可有条件使用地表水地源热泵系统。合肥地区地表为第四系覆盖，上部为粘土、亚粘土、亚砂土，下部基岩多为砂岩、泥岩，岩石硬度不高，地埋管钻孔施工容易，较适宜土壤源热泵系统。 合肥地区已建成的采用地表水地源热泵系统的有“合肥市科学家花园”（利用董铺水库水体）、“合肥市大剧院”（利用天鹅湖水体）；采用土壤源热泵系统（竖直埋管）的有“南屏花园小区”、“合肥市彩虹新城小区”、“煤田地质局两淮豪生大酒店”等，并取得了初步成效。正在建设的有安徽省实物地质资料库。 3·地源热泵系统设计方案 利用地热热泵系统开发利用浅层地热能的设计方案首先要解决冷热平衡问题。合肥地区气候特征是夏热冬冷地区，夏季供冷冷负荷大于冬季供暖热负荷，全年累积夏季释热量大于冬季吸热量，采用土壤源热泵系统如不采取热平衡措施，随着使用时间增加地层温度明显加大，制冷效率随之下降，最终土壤源热泵系统难以正常运行。 考虑到土壤源热泵系统只是一种蓄热能，而不是取之不尽、用之不竭地热能，开发浅层地热能首先要保护好浅层地热能，要处理好冷热平衡问题，土壤源热泵系统就能高效、稳定、持续运行，因此土壤源热泵系统设计在计算周期内，系统向地层累积释热量与累积吸热量应相对平衡。 夏季供冷逐时释热量为空调逐时冷负荷×（1+1/EER）加输送过程得热量加水泵释热量，冬季供暖逐时吸热量为空调逐时热负荷×（1-1/COP）加输送过程失热量减水泵释热量。累积释热量、吸热量与对应的运行时间乘积应相对平衡。笔者提出4种适合合肥地区土壤源热泵空调冷热源设计方案。 3.1方案1土壤源热泵+冷却塔 土壤源热泵系统地埋管换热器按冬季吸热量设计，为减少夏季排入地层的热量，将大于吸热量的部分热量通过冷却塔排入大气。该方案不仅能使地层达到基本热平衡，而且可以减少地埋管数量，减少地埋管占地面积，节省初投资。 3.2方案2土壤源热泵热回收机组+生活热水热泵机组 土壤源热泵系统地埋管换热器按夏季释热量设计，采用热回收热泵机组将夏季通过地埋管向地层排热一部分，通过热回收热泵机组加热生活热水；冬季采用热回收热泵机组一部分供热、另一部分加热生活热水；过渡季节采用生活热水热泵机组单独加热生活热水。从而使土壤源热泵系统向地层累积释热量与累积吸热量应相对平衡，该方案充分利用土壤源热泵系统能源利用率，节能效果显著，取消生活热水供热锅炉，减少CO2排放量，运行费用较节省，效费比较高。 3.3方案3土壤源热泵+冰蓄冷 土壤源热泵机组地埋管换热器按冬季吸热量设计，夏季再以冰蓄冷方式补充地源热泵供冷量的不足，冰蓄冷系统配置冷却塔。夏季可充分利用夜间电力低谷蓄冰，白天优先使用土壤源热泵机组供冷，高峰时冰蓄冷系统、土壤源热泵联合运行供冷；过渡季节优先使用冰蓄冷系统供冷，充分利用室外环境温度较低，冷却塔提供的冷却水水温低，冰蓄冷供冷效率高的特点。优化土壤源热泵、冰蓄冷供冷运行时间，使浅层地热能达到基本热平衡。该方案按冬季供热量设计地埋管系统，可以减少地埋管数量，减少地埋管占地面积，同时充分利用峰谷电价差降低运行费用，还会对缓解电力供需矛盾、平抑电网峰谷差起到作用。 3.4方案4土壤源热泵+扩大供热面积 土壤源热泵机组、地埋管换热器按夏季供冷量设计，冬季土壤源热泵机组在额定工况下制热量大于制冷量，建筑物夏季供冷冷负荷大于冬季供暖热负荷的特点，加大供热面积，以增大冬季吸热量的方式，使地层释热与取热达到基本平衡。该方案节能减排效果显著，但一次性投资较大，地埋管占地面积大。 上述4种土壤源热泵空调冷热源基本方式，还可分解组合成多种混合式地源热泵系统，如：土壤源热泵热回收机组+冷却塔；土壤源热泵热回收机组+冰蓄冷；土壤源热泵热回收机组+生活热水热泵机组+冰蓄冷等方式，既要以利于地层释热与取热达到基本平衡，又要尽量减少外部能量的输入，获取最佳效率。 4·土壤源热泵系统设计要点 土壤源热泵的核心技术是地埋管换热器的设计与施工，成功的关键在于取得可靠的当地土壤特性，包括地下土壤稳定状态下的取热特性、放热特性、土壤的热物性响应参数、不同深度的单位井深土壤换热量，同时要考虑地层的可钻等级、钻探范围、钻井深度、钻探成本等。 4.1现场场地钻探与岩土热响应测试 现场测试方法是确定土壤热物性的最佳方法，在前期水文地质工程地质调查的基础上，进行现场钻探和岩土热响应测试，以查明地质构成、钻孔的难易程度、岩土的热物性参数、地下水位、地下水富水性、地下恒温带深度、单井每延米的换热量等基础数据，为地埋管换热器系统设计提供可靠技术参数。 4.2地埋管换热器长度计算 地埋管设计计算采用动态负荷模拟设计法和每延米换热量法。动态负荷模拟设计基本原理是热动力场计算与平衡，采用拉普拉斯方程计算，通常由专门的软件完成，这是浅层地热能利用的一个关键环节。一方面是因为地下换热过程的复杂性，为尽可能节约埋管费用，需要对埋管数量作准确计算；另一方面地埋管设计需要预测随建筑负荷的变化、埋管换热器逐时热响应情况及岩土体长期温度变换情况。为此，《地源热泵系统工程技术规范》中规定“地埋管设计宜采用专用软件进行”。同时《规范》附录B给出竖直地埋管换热器的设计计算方法。加拿大国家标准（CAN/CSA-C448.1）中对地埋管系统设计软件明确提出了以下要求： （1）计算或输入建筑物全年动态负荷； （2）计算当地岩土体平均温度及地表温度波幅； （3）模拟岩土体与换热管间的热传递及岩土体长期储热效果； （4）计算岩土体、传热介质及换热管的热物性； （5）对所设计系统的地埋管换热器的结构进行模拟，（如钻孔直径、换热器类型、灌浆情况等）。 通常采用每延米换热量指标，是在某一特定工况下测试的数据，与实际运行工况差距较大，因为单孔测试或少数几个孔的测试，与多井的实际出入较大。多孔地埋管换热器之间相互热干扰，地埋管换热器实际换热量与建筑物负荷变化直接相关，因此获取的现场测试应做到科学合理的修正，才能用到实际工程中。 4.3地埋管换热器设计 4.3.1地埋管方式 地埋管换热器分为水平和竖直两种埋管方式，水平地埋管换热器是在浅地层中水平埋设；竖直地埋管换热器是在地层中垂直钻孔埋设。由于水平地埋管换热器受气候、雨水、埋设深度以及可利用地表面积限制，仅适用于占地面积大、地表易开挖、建筑物容积率低的小型建筑工程。通常大多数工程采用竖直埋管方式，故本文以竖直埋管方式作为论述。 竖直地埋管换热器通常有单U形管、双U形管、螺旋管方式，埋管材料可采用耐腐蚀、流动阻力小、导热系数大的聚乙烯管（PE80或PE100）或聚丁烯管（PB），从性价比考虑大多采用聚乙烯管。 4.3.2地埋管深度 竖直地埋管换热器设计应充分考虑埋管间距与地埋场场地面积，水文地质工程地质条件，钻孔施工工艺，管材承压能力，管材口径及壁厚，地埋管管内流速及出口温度等因素。地埋管深度设置应保证地埋管换热器出口温度，以利于热泵机组高效运行，如埋管换热器出口温度过高或过低，热泵机组性能系数下降，达不到节能目的。在一定范围内，地埋管深度越深，换热量越大，，但钻孔费用上升，地埋管材料增多，管材承压加大，地埋管深度需要综合考虑，不是越深越好，而是选择经济技术合理的深度。 钻孔深度应根据地质状况与钻孔工艺确定，如采用旋挖钻机，一般钻孔穿过中风化岩到达完整基岩为宜，如果继续对完整基岩进行钻机，施工费钱费时，合肥地区地层可钻等级不高，一般钻孔深度可在50~80m之间，竖直地埋管采用外径?25单U形管PE管。其特点是竖直地埋管换热器占地面积大，钻孔费用低，经济性较好。 在河床相地层或完整的花岗岩、灰岩地区采用潜孔锤冲击回转钻机，可根据空压机性能适当加深钻孔深度，其钻孔深度控制在150m以浅，最深不宜超过200m，竖直地埋管采用外径?32双U形PE管。其特点是竖直地埋管换热器占地面积小，运行稳定。 4.3.3地埋管性能参数 竖直地埋管管道承压能力按下式计算：P=H0+H1+H2/2，其中H0为系统定压点压力，H1为定压点至埋管底部距离，H3为水泵扬程。管材承压一般选择1.0MPa或1.6MPa。 地埋管管内流速适中，应保证处于紊流状态保证地埋管与岩土层的换热，流速过小，换热能力减弱，流速过高，管道阻力加大，增大泵的输送能耗。地埋管管内流速控制在0.25~0.7m/s范围内。 4.4地埋管换热器管路连接方式 地埋管换热器管路连接方式有串联连接和并联连接两种方式。串联连接方式用在浅埋管较多，并联连接方式用在中、深埋管。 地埋管换热器场地应设置多个独立地埋管换热器区域，各区地埋管换热器埋管供回水集管均接至二级分、集水器，每个二级分、集水器带多个集管，每个集管并联连接多个竖直孔井，同一区二级分、集水器集管连接竖直孔井数相同，集管同程布置，分、集水器设有静态平衡阀调节装置、温度计、压力表、冲洗阀门。二级分、集水器供回水干管汇入地源热泵主机房内一级分、集水器。地埋管换热器场地多分区设置有利于系统流量平衡、方便调节；同时有利于地埋管道的冲洗；在部分空调负荷时，有选择使用地埋管换热器区域，有利于地埋管换热器场地热恢复性。 水平地埋管道采用聚乙烯管（PE），室内架空管道采用内涂塑无缝钢管加保温措施，采用沟槽连接，防止管道锈渣，堵塞U型地埋管。 4.5监测井 在每个独立地埋管换热器区域应设置温度监测井，长期监测地下水水温或岩土温度变化，以便采取措施保证浅层地热能的总体热平衡。测试井分段设置温度传感器，间距在10~15m，温度传感器采用精度高（±0.2℃）抗干扰能力强的PT100铂电阻型传感器。有条件的地区可建立1~2条监测剖面。 4.6地源热泵机组与循环水系统 地源热泵机组设计应考虑适应运行工况变化、自动能量调节和可靠自动控制功能，且其蒸发器出口应有防冻保护装置；水系统应根据冬夏不同季节、以及负荷变化情况采用变频控制系统；同时应对地埋管水系统换热负荷进行动态监测，夏季计算系统累计放冷量，冬季计算系统累计吸冷量，以及地埋场岩土温度变化，为浅层地热能的合理开发及地源热泵系统长期有效运行提供基础数据。 5·结语 根据合肥地区气候特征及水文地质工程地质条件，浅层地热能的开发方式宜优先使用土壤源热泵系统，在地表水丰富的地区可有条件使用地表水地源热泵系统。土壤源热泵系统应采取多种方法，确保向地层累积释热量与累积吸热量相对平衡，保证土壤源热泵系统高效稳定的运行。 浅层地热能开发和地源热泵系统是一个跨学科、跨专业的新兴的可再生能源利用技术，需要通过地质勘察、工程钻探、暖通空调、地质环境等专业技术人员的通力协作，做好浅层地热能勘查、地源热泵工程设计、施工、调试等各项工作，使系统达到要求的节能、环保性能。 参考文献： [1]中国建筑科学研究院.GB50366-2005，地源热泵系统工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2005. [2]美国制冷空调工程师协会.地源热泵系统工程技术指南[M].徐伟，等，译.北京：中国建筑工业出版社，2001. [3]汪训昌.关于发展地源热泵系统的若干思考[J].暖通空调2007，3（73）：38~43. |
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