地埋管地源热泵原理及在工业厂房空调工程中的应用

2012-10-27沈禹刘俊松刘炳南

中国科技信息 2012年8期

关键词：供冷源热泵热泵

沈禹刘俊松刘炳南

机械工业第五设计研究院国际所

地埋管地源热泵原理及在工业厂房空调工程中的应用

沈禹刘俊松刘炳南

机械工业第五设计研究院国际所

本文从地埋管地源换热系统,地埋管地源热泵机组系统，高大厂房采用地源热泵和集中送风相结合的空调方式的优点等三个方面阐述了地埋管地源热泵的原理、性能和主要特点，特别分析了它在节能减排和改善环境状况方面的重要作用。明确提出了工业厂房应用集中送风空调与地源热泵相结合具有广阔的发展前景。文章最后介绍了一个典型工程实例。

地埋管；地源热泵原理；工业厂房空调应用

引言

为了在工程设计中更好地落实国家“节能减排”方针，结合现有的工程设计实践，本文将对地埋管地源热泵设计相关技术问题予以概述。

1.地埋管地源换热系统的设计

地埋管系统属于闭式系统，目前应用较多的有两种形式，一种是水平地埋管，形式较多，新近开发的有垂直排圈式、水平排圈式和水平螺旋式（见图1）。

图1

水平埋管的埋设深度较浅，一般为3～15m，虽然开挖管槽和埋管的费用低于竖直埋管系统，但其占地面积大，在城市工业和民用建筑，末端冷（热）负荷量较大的场合，限于场地有限，不宜实施。另一种为竖直直埋管，即在地面以下钻孔，埋入U形管、双U形管、小直径螺旋管、大直径螺旋管，立柱状、蜘蛛状和套管式（见图2）等，按埋管深度H不同分为三种，浅埋型：H≤30m，中埋型：H=30～80m，深埋型：H＞80m。

图2

近年来在本市应用较多的是单U型和双U型竖直直埋管，埋深多为80～120m，管材技术要求为：

化学稳定性好，耐腐蚀，承压高（公称压力p≥1.0Mpa）；

导热系数大，流动阻力小；

工作温度范围不低于-20℃～50℃；

埋地部分管道不应有机械接头，能按设计要求成卷供货。

目前，工程中大多数采用聚乙烯（PE80或PE-100）或聚丁烯（PB）塑料管。按性价比，聚乙烯较优。地埋管钻孔径一般为110～200mm，埋管技术规格和灌浆回填料，工程技术规范均有相应规定。

竖直直埋管的地源热泵的性能和特点，在设计中应予充分了解、分析和研究，以保障工程使用效果和可靠性。

1.1 地质条件及其影响

竖直直埋管换热器是由若干根植埋于地下的直埋管组成的，它是热泵系统的低（高）温热源，通过这个换热器与地下介质，主要是岩土层正常的热交换，才能保障热泵系统的正常运行，地下岩土层的吸热、放热和蓄热性能是热泵系统能够正常运行的基础条件，因此对地下的地质构造及其热物理性能深入分析研究极为重要。

（1)竖直直埋管的地质环境

地球主要由地壳、地幔和地核等几大部分构成，按照温度的变化特征，地球表面的地壳层可分为三个带，即可变温度带、恒温带和增温带。可变温带由地表深入到地下一定深度，由于受太阳辐射的影响，其温度随昼夜、年份、世纪甚至更长时间，呈周期变化，其厚度为地表以下15～20m；恒温带在变温带下面，温度变化幅度几乎为零，深度为可变温带以下20～30m。美国的国内统计资料表明，无地热异常地区的浅层地下水温度，比当地年平均大气温度高5℃，即指恒温带温度。恒温带以下为增温带，随深度增加温度升高，其热量主要来自地球内部释放的热能。增温带的温度增加幅度称地温梯度，一般地区该梯度为3℃/100m。明显高于这一温度梯度的地区称地热异常地区，如火山、温泉等，在地球上分布并不普遍。而浅层地热能与地表热能具有普遍性，作为可再生能源，采用热泵技术予以开发利用，具有广泛前景。

竖直直埋管的埋深，通常为地下2～4m以下至200m以上，多数埋管为80～120m，主要处于地壳的恒温带，有时也称常温带。虽其竖管有一部分埋管处于增温带，地下40～50m以下处于增温带，存在随深度增加而上升的温度梯度，但这个温度梯度很小，所以按竖管总深度考虑，可以近似地认为其主体是处于恒温带。

既然我们设置的竖直直埋管换热系统是敷设于地下的恒温层中，我们在夏季供冷时，将室内余热排放至地下存储，冬季供热时，从地下抽取热量补偿室内热负荷，那么这个换热系统也是一个蓄热器。

（2)埋管区域地下热物性

埋管区域地下岩土层的热物性对埋管换热量影响非常大，在设计中充分准确掌握岩土体热物性参数非常重要，岩土体的热物性参数包括岩土密度ρ（kg/m3）、含水率ω（%）、孔隙比Φ、比热容Cp（J/ Kg·K）和导热系数λ（W/m·℃）等。

埋管管井地质成分不同，热物性参数不同，其换热量亦不同，有关资料显示，埋入页岩中的井深换热量为33.79（W/m），石灰岩中为39.31（W/m），砂岩中为63.78（W/m），大理石中为96.52（W/m）。

为了充分了解地埋管区域地质结构，分析管井热物性，设计前进行地质勘察是非常必要的。应特别指出的是，国家《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）的2009年版对此作出了补充和严格规定，新增了岩土热响应试验要求，规范将地热能资源勘察列为强制性内容。

（3）埋管区域地下水渗流影响

竖直埋管一般都垂直深埋，所以在其穿透的地下岩土层中，或多或少都存在着地下水的渗流，尤其是在沿海地区和地下水丰沛的地区，有的区域甚至有地下水的流动。埋管区域地下岩土地层构造及成分多种多样，埋管内以水作为热媒或冷媒与管周围岩土体换热，制冷时蓄热，采暖时从其中吸热，埋管区域包括埋管和其周围岩土体不但构成一个庞大的换热器，同时又是一个耦合的蓄热器，考虑到地下水的渗流，则应称其为热渗耦合过程的地下蓄热器。

大量研究表明地下水渗流或流动，对地下埋管换热器的传热、蓄热是十分有利的，它有利于减弱或消除由于地下埋管换热器放热不平衡而引起的热量累积效应，使得岩土层对于地上空调系统供冷、供热随时间和季节变化引起蓄热量和抽吸热量强度变化的适应能力大为提高，因此，地下水的渗流和流动对热泵系统运行的稳定性和保持较高能效比具有重要作用。

2.地源热泵机组系统设计

2.1 概念

这里提出的“地源热泵机组系统”仅指岩土层内竖直地埋管的地源热泵系统中以热泵机组为核心的系统。

工程热力学讲的热泵概念是通过热泵机组做功，将低温位热源的热量提升到高温位，以实现供热的热能机械。同样的机械，通过做功，将低温位热源（如空调区域）的热量提升到高温位，向高温位热源排放，以达到供冷目的，则称为制冷机。本质上同样的机械，都是依照逆热力循环运转，却有两个称谓——制冷机和热泵。实际上，这种不同称谓完全是由于其用途不同造成的，用作供冷称制冷机，用作供热称热泵。笔者认为，应当统一称作热泵。

水泵是将水从低水位提升到高水位的水力机械，热泵则是将低温位热能提升到高温位的热力机械。这种简单的比附形成的观念，引导我们理解热泵原理可能是有益的。但是深入分析，还应看到二者明显区别，水泵遵循水力学规律，其效率小于1，而热泵则遵循热力学规律，其效率可以大于1。

当前应用的热泵有：空气源热泵、地下水源热泵、地表水源热泵、海水源热泵、污水源热泵和土壤（岩土层）源热泵等多种，本文所讨论的是最后一种，它与前面几种不同点在于前面几种均为“一端利用”，另“一端排空”，而只有本文阐述的热泵是“两端利用”的，空调季供冷，将空调区域余热通过埋管换热器储于埋管区域岩土层中，冬季供热，则将埋管区域岩土层内蓄积的热量抽吸出，以满足供热区域要求，这种方式与前几种相比，不会产生“热岛效应”、环境水体生态影响和地下水开采地质影响等后果，不良环境影响很小，同时又是一种可再生能源开发利用的好方式。

2.2 节能效果评价

在供冷工况下，在由电能为动力的压缩机性能相当条件下，竖直埋管地源热泵与水冷冷水机组供冷相比，其能耗相当，甚至相对较低，比风冷冷水机组明显节能。

根据统计资料分析，在供热工况下，其节能效果明显。

当前我国电力仍以燃煤火力发电为主，电站效率只有30%～38%，考虑输配电损失，效率更低。考察供热方案的能源利用率，可以采用一次能利用率（PER：Primary Energy Rate）作为指标，即所得热能与一次能源消耗之比，即PER等于热泵性能系数coph与供电效率的乘积，见表1。

表1 各种供热方式一次能源利用率

注：燃油、燃气锅炉供热是指热效率很高的单户供应型，如城市集中供热由于管网热损失和大型循环泵耗电效率会更低。

高效发电指天津滨海新区在建的北疆电厂，其发电煤耗为269g/kwh，供电煤耗288g/kwh，发电效率45.6%，且全年热电联产，年产淡水6570万吨，副产原盐50万吨，节约盐场用地22(km)2，利用粉煤灰加废电石灰制150×104m3/a墙体材料。

2.3 进一步提高能效的措施与展望

如在地埋管换热器系统与建筑物内系统间设一条连通管，在进入空调季初始阶段，不开启压缩机，利用地源换热器储存的冷量，补偿室内空调冷负荷；在进入采暖季初始阶段，不开压缩机，利用地源储存的热量，补偿室内采暖热负荷，有利降低能耗。

选择性能适宜且变频性能良好的压缩机，不但保障系统平稳可靠运行，且会获得明显节能效果。

完善的自动控制系统设置非常必要。为积累运行经验，有利及时调节系统运行性能，应考虑在自控系统内设置完善的数据记录装置。

现有资料表明，进一步改善和提高包括工质在内的先进热泵机组研发备受关注，今后还会有更为高效节能的热泵机组进入市场。这将会推动地源热泵发展，进一步实现“节能减排”发挥重要的作用。

3.建筑物内系统设计

在高大的工业厂房内，应用地埋管地源热泵，实践说明是适宜的，这是因为：

（1) 由于竖直埋管换热器通常埋深为地下2.5m以下，其占地面积仅为供冷（热）面积的15%左右，在厂区内除重载（＞10t）车道以外的区域内，选择适宜位置通常并不困难。因埋管较深，对其上开辟厂区绿地，轻载道路，以及露天或半露天库房等，通常没有妨碍。

（2)经多年探索研究，我院提出的“高大工业厂房集中送风空调”技术，经工程实践证明是成功的。这项技术的核心概念为：鉴于空气为含热量很低的物质，为节能不宜处理后远距离输送，宜在空调空间现场对其冷却或加热，以补偿相应负荷量；在工业厂房高大空间内，以较少空气流量和较小能耗，在工作地带形成一个均匀而稳定的空气流场是达到空调设计标准的关键。

高大工业厂房集中送风空调的关键设备为已研发推向市场多年的“集中送风空调冷暖机组”，该机组空调季冷媒温度为7～12℃，采暖季热媒温度为60～40℃，实践说明，这样的温度要求与竖直埋管地源热泵在其性能系数cop≥4.0的条件下，是完全可以满足的，因此，高大工业厂房集中送风空调系统，选择竖直埋管热泵系统供冷或供热是适宜的，也是有广泛应用前景的。