螺纹管换热器
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土壤源热泵系统在内蒙古地区的应用分析点击：1807 日期：[ 2014-04-26 21:39:36 ] |
| 土壤源热泵系统在内蒙古地区的应用分析 岳建军 徐向荣 (内蒙古工业大学) 摘 要：以内蒙古自治区发展和改革委员会综合办公楼土壤源热泵系统国家示范项目为依据,着重介绍土壤源热泵技术在整个设计和施工过程中的地热换热器设计、埋管回填施工及其经济性分析。通过该示范项目,总结土壤源热泵系统在内蒙古地区应用的特点,同时为内蒙古地区及全国更广泛地区推广土壤源热泵技术在设计和施工方面积累宝贵经验。 关键词：土壤源热泵;地热换热器;内蒙古;经济性分析;应用特点 内蒙古自治区发展和改革委员会综合办公楼的空调系统采用了土壤源热泵技术,该项目是国家第一批可再生能源在建筑中应用示范工程之一,也是内蒙古地区首次使用土壤源热泵技术的工程。内蒙古地区自然资源丰富,尤其是浅层地热能十分丰富,在内蒙古地区利用土壤源热泵可有效替代常规能源,从而可以缓解该地区能源危机和遏制环境污染。 1·工程实例 1.1工程概况 内蒙古自治区发展和改革委员会综合办公楼工程位于内蒙古呼和浩特市,总建筑面积约5.1万m2,A区为综合楼,B区为机关办公楼,C区为二级办公楼。本工程冷热源系统采用土壤源热泵系统,地下埋管换热器为724个,占地面积为1.81万m2。冬季,基本负荷由土壤源热泵系统承担,峰值负荷由市政集中供热作为辅助热源来提供;夏季,冷负荷完全由土壤源热泵系统承担。用户末端主要采用风机盘管+新风系统。 该工程设有2个相互独立的热泵机房,均选用2台相同的热泵机组,单台制热量和制冷量分别为865kW和835kW。土壤源热泵机组工况参数见表1。 1.2 地热换热器系统设计 土壤源热泵空调系统与传统的空调系统相比,主要区别在于前者增加了地热换热器,即地下埋管环路。因此,土壤源热泵空调系统设计的核心就是设计地热换热器,其设计与土壤的热物性参数、建筑物负荷以及换热器负荷随时间变化等都有很大的关系,不能仅根据建筑物冷热负荷来简单计算埋管长度。在工程设计计算时,采用下列公式来计算地热换热器的长度[1]: 式中:下标c和h分别表示制冷工况和供热工况;L为地热换热器所需的钻孔总长度(m);Qc和Qh分别为热泵的额定冷/热负荷(kW);COP为热泵的性能系数,由热泵厂家提供;F为运行份额;Rf,Rpe,Rb,Rs和Rsp分别为传热介质与U形管内壁的对流换热热阻、U形管的管壁热阻、钻孔灌浆回填材料的热阻、地层热阻和短期连续脉冲负荷引起的附加热阻(m·K/W);t∞,tmax和tmin分别为埋管区域岩土体的初始温度、制冷工况下地热换热器中传热介质的设计平均温度(通常取37℃)和供热工况下地热换热器中传热介质的设计平均温度(通常取-2~5℃)。 由于内蒙古属于寒冷地区,冬季热负荷明显要大于夏季冷负荷,冷热负荷相差太大,计算得到的Lc与Lh有很大差别。从节省初投资和地热换热器长期热平衡考虑,选取制冷工况下Lc为地热换热器的长度,而地热换热器不能满足的部分热负荷采用辅助热源来完成。同时还需特别注意,在内蒙古这样的寒冷地区,冬季进入地下埋管换热器的液体温度一般均在0℃以下,换热器周围的土壤可能冻结。根据定性分析,水分冻结时,有大量的潜热被释放出来,因此在吸收热量相同的情况下,土壤温度降低的幅度小,水分越多,释放的潜热越多,温度降低的幅度越小,临近地热换热器的土壤温度越高。如果设计中不考虑土壤中水分冻结的影响,计算出的地埋管周围的温度场将偏低,换热器的尺寸偏长,与实际情况偏差较大。水分越多,差别越大[2],因此设计时应考虑水分冻结的影响。目前有关岩土冻结及其计算方面的研究文献不多,但可以肯定土壤冻结对地埋管换热是有利的。 1.3 地热换热器埋管施工 本工程采用竖直埋管换热器,每个钻孔中设置2组U形管,钻孔间距为5m,钻孔直径为150mm,孔深为100m。实测和计算结果表明:双U形埋管比单U形埋管可提高15%~20%的换热能力,可有效提高单孔换热能力,减少钻孔数量,从而降低施工量和初投资。地热换热器及地埋管分集水器均采用PE管热熔连接。 竖直U形管地埋管换热器的安装应在钻孔钻好且孔壁固化后立即进行。将U形管和灌浆管一起插到孔中。下管过程中,U形管内充满水,并每隔2~4m设一弹簧卡或固定支卡,将U形管分开,以消除管间的热干扰。本工程钻孔深度达100m,人工下管很难满足工程要求,因此采用机械下管,即将U形管捆绑在钻头上,然后利用钻孔机的钻杆将U形管送入孔底。此时,U形管端部的保护尤为重要。U形管安装完毕,应立即灌浆回填封孔,隔离含水层。地热换热器埋管施工中的关键是回填,若要人工从孔口回填,会因压力不够而使井内空气排不出来,造成回填料与换热器及孔壁之间空隙较多,严重影响传热效果。本工程采用导管灌浆,由孔底部导入填料逐渐向上反填,排除孔内空气,确保无空隙:保证了传热效果,避免了上述问题;同时还可防止各含水层之间水的掺混和污染物从地面向下渗漏。 回填材料热物性的好环直接影响地热换热器周围温度场的分布和局部换热量的大小,因此要求回填材料有较好的传热性能[3]。灌浆回填材料采用膨润土和细砂(或水泥)的混合浆,膨润土占4%~6%。 2·土壤源热泵的经济性分析 地源热泵节能性能是显而易见的,但是否省钱?对这一经济性问题的分析,首先要明确一点,节能并不等于省钱,还必须考虑设备的投资费用、燃料价格及电力价格等问题。因此,必须综合考虑各种影响因素,才能正确判断土壤源热泵在暖通空调的应用中是否既节能又省钱。土壤源热泵系统是否经济,也是阻碍土壤源热泵系统发展和推广的主要原因之一。笔者采用投资回收年限法,对上述示范项目进行经济性分析。 投资回收期是工程增量成本与年节约运行费用的比值,它是评估能源利用是否合理的主要指标之一。与常规的燃煤锅炉+电制冷相比,该示范工程的成本增量为900万元,主要增加了钻孔、地埋管管线及热泵站房设备的费用。 2.1采用常规能源的运行费用 采用常规能源,即冬季采用市政热力集中供热,夏季采用电机驱动压缩机制冷。根据呼市集中供热价格标准,行政事业单位为3.4元/(米2·月),呼市采暖期为6个月(183d);夏季空调制冷期为90d,机组每天运行12h,夏季冷负荷为2 900kW,采用面积冷指标估算法,面积冷指标取56.86W/m2,电价取0.57元/千瓦时(峰谷综合估算)。《房间空气调节器》(GB/T7725—2004)中规定的空气源热泵的COP值在2·5~2.7之间,此处计算取其最大值2.7。 式中:CE是电价,取峰谷综合估算值0.57元/千瓦时;Q是建筑冷负荷(kW);h是机组运行小时数(h);fp是负荷系数。 考虑到泵的电耗及其他管理费用,应考虑1.2的系数,夏季运行实际费用为67.442 4万元。因此,采用常规能源,每年的运行费用为171.482 4万元。 2.2 采用可再生能源的运行费用 根据《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》(JGJ26—1995),呼市居住建筑采暖期建筑耗热量指标为21.3W/m2。冬季采暖期为183天,机组每天运行24h。冬季的运行费用由2部分组成:热泵机组的年运行费用(承担85%);当制热负荷达到高峰值时(时长为1个月),采用市政集中供热作为辅助热源的费用。供热工况时,热泵的COP>4,因此取4;制冷工况时,热泵的COP>5,因此取5:均取其最小值(数值由热泵厂家提供)。 1)冬季年运行费用 采暖期总耗热量(kW·h)为 Qh=21.3×51 000×183×24×0.85 =4 055 375.16 热泵总耗电量(kW·h)为 V =Qh/COP=4 055 375.16/4 =1 013 843.79 热泵部分的年运行费用(电费)为 C1=0.57×1 013 843.79=57.79万元 市政集中供热作为辅助热源的年运行费用(万元)为 C2=3.4×1×5.1×0.15=2.601 考虑到泵的电耗及其他管理费用,应考虑1·15的系数(热泵系统自动化程度高,泵耗及其他管理费用低于常规系统),热泵部分的年运行费用(电费)为66.46万元,冬季年总运行费用为69·061万元。 2)夏季热泵系统每年运行费用(电费/万元) 考虑1.15的系数,夏季运行费用为34.9万元。因此,采用可再生能源,每年的运行费用为103.961万元。 2.3 投资回收期 采用可再生能源,每年节约的运行费用为67.521 4万元,总投资静态回收期为13.3年。 通过上面的计算可知,采用土壤源热泵系统,13年左右即可收回成本,然而所有形式的空调系统使用寿命都相当,一般为15~20年。可见,工程的投资回收期远小于系统的使用寿命,这充分说明了采用土壤源热泵系统是经济的。同时,由上面的计算还可以看出,采用土壤源热泵系统每年比常规能源系统可节省运行费用30%左右。 3·土壤源热泵系统在内蒙古地区的应用特点 3.1 应用优势 1)内蒙古地区属于寒冷地区,冬季采暖期长达183d(半年之久),部分地区采暖期更长。而内蒙古是以煤作为主要能源的地区,煤在能源消耗中占80%以上,高于全国平均水平,尤其在冬季采暖期,几乎全区都用煤采暖。由于煤是各种能源中环境污染最为严重的能源,因此不减少城市地区煤的消耗量,城市大气污染问题就难以解决。在内蒙古这样的寒冷地区采用土壤源热泵系统,可以大大降低环境污染,起到环保的作用。最为重要的是,土壤源热泵系统的应用可以大量节约一次能源(煤、石油、天然气)的消耗,起到节能和缓解该地区能源危机的作用;同时,从上节的讨论得知,土壤源热泵系统的应用还可以节省运行费用(与常规能源相比)。 2)近几年,地板辐射采暖技术的不断发展和完善,使得地板辐射采暖在内蒙古这样的寒冷地区得到了广泛的应用和推广。地板辐射采暖的优点之一是,在人体达到同等舒适性的条件下,室内空气温度可以比设计温度低2~3℃,采暖负荷可降低15%左右,是一种节能的采暖装置。它最突出的优点是可以也必须利用低品位热媒,同时具有较大的蓄热性。地板辐射采暖在满足舒适性的前提下,其表面温度不得超过24~26℃,这一点为利用土壤源热泵采暖提供了可能性。地板辐射供暖所需的参数与土壤源热泵系统提供的参数基本一致。土壤源热泵系统是以土壤作为冷热源,在地下10m以下,土壤温度与当地的年平均温度相当,内蒙古地区的土壤温度(地下10m以下)在10℃左右,是很好的冷热源和蓄热体。 3)内蒙古地区属于寒冷地区,在冬季,当室外温度低于-5℃时,空气源热泵难以正常工作,需要采用电加热或其他辅助热源,热泵的性能系数大大降低。此外,蒸发器结霜影响了空气侧换热器的传热,要使系统正常运行,就必须除霜,而这会导致机组效率降低和能耗损失。受环境温度和资金2方面因素的影响,空气源热泵系统在内蒙古地区的应用受到极大限制。而对于水源热泵系统,理论上可以利用一切水资源,但是内蒙古是相对缺水的地区,水资源匮乏,水源热泵系统的应用也就受到限制。另外,抽水回灌是地下水源热泵的常用操作模式,但一直困扰水源热泵应用的正是回灌问题,它受地质结构、技术和经济等方面的限制。从上述2方面考虑,水源热泵系统在内蒙古地区的应用也是存在极大困难的。土壤是一种较佳的冷热源,土壤源热泵系统在运行时不存在蒸发器除霜等问题[4],也不受地域和外界环境影响,非常适合在内蒙古这样的寒冷地区使用。 4)目前,内蒙古正处于经济和各方面快速发展的时期,城市的不断发展和新型工业区的不断出现,新建了大量的建筑,这就出现了一个亟待解决的问题———供热。由于这些建筑物的大部分分布在城市的边缘或者是新的开发区,不能采用市政热网集中供热。土壤源热泵系统解决了这些建筑的供热问题。此外,对于一些受客观条件限制而无法采用其他方式供热、供冷的地方,如高速公路收费站、边防哨所等,土壤源热泵更体现出它特有的优越性。 3.2 存在的问题 1)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[5]。在内蒙古这样的寒冷地区,冬季供热负荷大于夏季供冷负荷,热泵从地下土壤吸热量大于夏季向土壤的排热量,致使土壤温度有可能逐渐降低,系统供热量降低,耗功率上升,供热系数COP降低。一般而言,土壤温度降低1℃,会使制取同样热量的能耗增加3%~4%。因此,对于冬季吸热量大于夏季排热量的地区,在设计时应考虑采取适当的辅助加热方式。目前研究最多的是太阳能集热器辅助加热方式。 2)与传统的空调系统相比,土壤源热泵系统增加了室外地热换热器部分,其地热换热器的初投资占系统初投资的20%~30%,使得系统的初投资较高。而内蒙古是一个经济相对落后的省区,如此高的初投资使得大多数业主望而却步。 4·结束语 随着地球上不可再生能源(煤、石油、天然气)的不断消耗,浅层地热能等可再生清洁能源将成为重要的能源。以土壤(岩石)作为冷热源的土壤源热泵技术,非常适合在寒冷地区使用,不存在蒸发器除霜和环境污染等问题。 本项目节能、环保的特点,为与呼和浩特市具有类似自然条件的广大西部地区利用浅层地热能起到示范和带动作用,有利于推动我国循环经济和可持续发展战略的进程,为创建节约型社会作出贡献。 参考文献 [1]GB50366—2005地源热泵系统工程技术. [2]Parkerson W. Analysis of experimental ground coil datafor heat pump design proceedings∥Midwest Power Con-ference,1951(8):488-493. [3]ASHARE.地源热泵工程技术指南.徐伟,译.北京:中国建筑工业出版社,2001. [4]周立.风冷热泵机组环境温度使用范围及除霜技术.暖通空调,1995,25(8):58-61. [5]马最良,吕悦.地源热泵系统设计与应用.北京:机械工业出版社,2006. |
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