北方地區(qū)應(yīng)用地源熱泵應(yīng)注意的問題

1、新能源與大環(huán)境隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源短缺矛盾日益突出，我國能源需求和供給之間的巨大矛盾已經(jīng)引起了黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人的高度重視，為此我國“十一五”規(guī)劃中同時(shí)提出了兩個(gè)量化指標(biāo)：1實(shí)）現(xiàn)201年0人均國內(nèi)生產(chǎn)總值比200年0翻一番；2）單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比“十五”期末降低20。%2年030月8，國家發(fā)展和改革委員會(huì)在發(fā)布的可再生能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃中提出：到201年0，我國可再生能源在能源消費(fèi)中的比重將達(dá)到10，%全國可再生能源年利用量達(dá)到3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，比200年5增長近1倍。新能源革命掀起第六次財(cái)富浪潮由于持續(xù)增長的需求和城市能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，全國范圍內(nèi)能源供應(yīng)形勢趨于緊張，能源供應(yīng)

2、已不能滿足經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的需要。我國的電力負(fù)荷連年增加，特別是夏季高峰電力不足和峰谷差增大，每逢夏季許多城市不得不拉閘限電；全國多個(gè)城市出現(xiàn)天然氣短缺和提價(jià)，能源已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。當(dāng)能源短缺和環(huán)境污染的警鐘一次次敲響，這預(yù)示著危機(jī)，同樣也蘊(yùn)藏著財(cái)富。世界經(jīng)濟(jì)從工業(yè)革命到現(xiàn)在，共經(jīng)歷了五次產(chǎn)業(yè)革命，而每一次大的產(chǎn)業(yè)革命總是會(huì)帶來巨大的財(cái)富浪潮，共形成了歷史上的五次財(cái)富浪潮。世界先后發(fā)生了以紡織工業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的第一次財(cái)富浪潮，以鋼鐵工業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的第二次財(cái)富浪潮，以石油和重化工及電力工業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的第三次財(cái)富浪潮，以汽車工業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的第四次財(cái)富浪潮，以信息產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)

3、的第五次財(cái)富浪潮。而即將到來的以地?zé)崮茉撮_發(fā)和利用為主導(dǎo)的第六次財(cái)富浪潮，備受世界各國關(guān)注，注定要改變整個(gè)世界的面貌！誰把握住世紀(jì)的新能源革命，誰就擁有第六次財(cái)富浪潮的帶來的財(cái)富盛宴！地?zé)崮茴I(lǐng)航中國新能源財(cái)富浪潮人類利用化石能源（媒、石油、天然氣等）創(chuàng)造了社會(huì)發(fā)展的文明時(shí)代，但是這些都是不可再生能源。全球不可再生能源中，石油儲(chǔ)量僅可供開采45年，天然氣51年，煤25年0，鈾71年。中國的石油經(jīng)濟(jì)開采量年限為15年，煤炭經(jīng)濟(jì)開采量年限為58年，天然氣經(jīng)濟(jì)開采量年限為31年。地球能源利用狀況：地?zé)崮苁前l(fā)展最快的新能源在能源日益枯竭、環(huán)境嚴(yán)重污染的今天，環(huán)保節(jié)能和綠色能源日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其

4、是應(yīng)用成熟、可再生且無污染的地?zé)崮?，正?0%至30%的速度持續(xù)遞增，市場規(guī)模龐大。地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用和分類地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)是一種使用可再生能源的高效節(jié)能、環(huán)保型的系統(tǒng)。冬季通過吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供熱夏季向大地釋放熱量，給建筑物供冷。相應(yīng)地，地源熱泵系統(tǒng)分土壤源熱泵系統(tǒng)地下水熱泵系統(tǒng)和地表水熱泵系統(tǒng)三種形式。一、土壤源熱泵系統(tǒng)的核心是土壤耦合地?zé)峤粨Q器。其土壤中埋管的方式有兩種，垂直埋管和水平埋管。若建筑物周圍可利用地表面積充足，應(yīng)首先考慮采用比較經(jīng)濟(jì)的水平埋管方式；相反，若建筑物周圍可利用地表面積有限，應(yīng)采用豎直型埋管方式。盡管水平布置通常是

5、淺層埋管，可采用人工挖掘，初投資一般會(huì)便宜些，但它的換熱性能比豎埋管小很多，并且往往受可利用土地面積的限制，所以在實(shí)際工程中，一般采用垂直埋管布置方式較多。二、地下水熱泵系統(tǒng)分為開式、閉式兩種：開式是將地下水直接供到熱泵機(jī)組，再將井水回灌到地下；閉式是將地下水連接到板式換熱器，需要二次換熱。三、地表水熱泵系統(tǒng)與土壤源熱泵系統(tǒng)相似，用潛在水下并聯(lián)的塑料管組成的地下水熱交換器替代土壤熱交換器?？傊?，地源熱泵作為一種可再生能源的利用，會(huì)越來越多的被人類所重視，雖然采用地下水、地表水的熱泵系統(tǒng)的換熱性能好，能耗低，性能系數(shù)高于土壤源熱泵，但由于地下水、地表水并非到處可得，且水質(zhì)也不一定能滿足要求，所以

6、其使用范圍受到一定限制。國外（如美國、歐洲）主要研究和應(yīng)用的地源熱泵系統(tǒng)以及我國理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)均是土壤源熱泵系統(tǒng)。可再生能源的利用-高效地源熱泵系統(tǒng)一、地源熱泵是太陽能的有效間接利用太陽能的47被%地表吸收,因此地表淺層蘊(yùn)涵著大量取之不盡的能量,超過人類每年利用能量的50倍0，并且不受地域資源限制，無處不在。二、資源越用越少，太陽則天天升起由于太陽能或地能近乎無限且持續(xù)恒定的特點(diǎn)，這使得地源熱泵利用儲(chǔ)存于其中的能量成為可能。所以說，地源熱泵利用的是清潔的可再生能源利用的一種技術(shù)。三、地源熱泵原理地源熱泵的技術(shù)思路則是以少量高品位能源（電能），實(shí)現(xiàn)低品位熱能向高品位轉(zhuǎn)移。地源介質(zhì)在冬季

7、作為熱泵供暖的熱源和夏季制冷的冷源。即在冬季，把地源介質(zhì)中的熱量“吸取“出來，提高循環(huán)介質(zhì)溫度后，供人采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地源介質(zhì)中去，由地源介質(zhì)將其儲(chǔ)存。這在根本上有別于任何傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng),資源越來越少，而太陽天天升起。地源熱泵是太陽能的有效間接利用。地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)為包括夏季空調(diào)制冷、冬季采暖以及生活熱水，輻射制冷、地板采暖系統(tǒng)等提供能源解決方案。北方地區(qū)應(yīng)用地源熱泵應(yīng)注意的問題地源熱泵是以大地為熱源的熱泵。冬季通過熱泵將大地中的低位熱能提高，對建筑供暖，同時(shí)蓄存冷量，以備夏用；夏季通過熱泵將建筑內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下對建筑進(jìn)行降溫，同時(shí)蓄存熱量，以備冬用。地源熱泵可以充分

8、發(fā)揮地下土壤蓄能作用，實(shí)是一種節(jié)能，對環(huán)境無害的綠色采暖空調(diào)技術(shù)，符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。本文僅對北方寒冷地區(qū)應(yīng)用地源熱泵的有關(guān)問題做一些討論，僅供參考。地下土壤的熱平衡問題因地源熱泵（）的自身特點(diǎn)而有其適用的最佳地域范圍，即夏熱冬冷且冬夏冷熱負(fù)荷相當(dāng)?shù)牡貐^(qū)。在寒冷地區(qū)由于其冬季供熱負(fù)荷大于夏季供冷負(fù)荷，造成熱泵從地下土壤的吸熱量大于夏季向土壤的排熱量，致使土壤溫度有可能逐漸降低，造成冬季使用時(shí)地源熱泵機(jī)組的蒸氣溫度降低，致使系統(tǒng)供熱量下降，耗功率上升，供熱系數(shù)降低，一般情況下，土壤溫度降低C,會(huì)使制取同樣熱量的能耗增加34。同理，對于南方地區(qū)，由于夏季空調(diào)冷負(fù)荷大于冬季供暖負(fù)荷，可能造

9、成地下土壤的溫度越來越高，造成機(jī)組的冷凝溫度提高，致使制冷量減少，耗功率上升。因此，維持地源熱泵地下埋管換熱器系統(tǒng)的吸、排熱平衡是地源熱泵系統(tǒng)正常、高效運(yùn)行的可靠保證。對于水平埋管的地源熱泵，由于水平管埋深淺，可以與地面進(jìn)行充分地?zé)峤粨Q，因此不存在地下土壤的熱平衡問題。對于垂直埋管，一般埋深大多數(shù)30，此時(shí)與地面及附近土壤的熱交換量較小，根據(jù)實(shí)測和理論計(jì)算，建議冬夏向土壤的吸排熱量平衡差不大于20為好。如果熱平衡性相差較大，可以采取輔助加熱（或冷卻）方式，有的把這種帶有輔助加熱（或冷卻）的系統(tǒng)稱為混合式地源熱泵系統(tǒng)。對于冬季吸熱量大于夏季排熱量的北方寒冷地區(qū)，最常用的方法是采用帶有太陽能集熱器

10、輔助加熱的太陽能地源熱泵系統(tǒng)。對于夏季排熱量大于冬季吸熱量的南方地區(qū)，最常用的方法是采用帶有冷卻塔的輔助散熱系統(tǒng)。上述兩種熱泵系統(tǒng)在一定的氣候地區(qū)，與單獨(dú)的相比，一般具有節(jié)省投資和降低運(yùn)行費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)。太陽能地源熱泵系統(tǒng)可通過閥門的控制來實(shí)現(xiàn)太陽能直接供暖，太陽能熱泵供暖，地源熱泵供暖及太陽能集熱器集熱土壤蓄熱的運(yùn)行流程等。冬季采暖時(shí)，以太陽能及土壤中夏季蓄存的部分熱量作為低位熱源直接或間接通過熱泵提升后供給采暖用戶，同時(shí)，在土壤蓄存部分冷量以備夏季空調(diào)用。夏季與過渡季節(jié)，太陽能集熱器主要用于提供生活用熱水。土壤凍結(jié)對埋管換熱器傳熱的影響在北方寒冷地區(qū)，冬季進(jìn)入地下埋管換熱器的液體溫度一般均在C以

11、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(shí)，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。如果設(shè)計(jì)中不考慮土壤中水份凍結(jié)的影響，計(jì)算出的地下埋管周圍的溫度場偏低與實(shí)際情況偏差較大，水份越多，差別越大，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮水份凍結(jié)的影響。但目前有關(guān)巖土凍結(jié)和其計(jì)算方法方面的研究文獻(xiàn)不多，但可以肯定土壤凍結(jié)對地下埋管換熱是有利的。有的文獻(xiàn)提出在長期連續(xù)運(yùn)行時(shí)，如不考慮凍結(jié)的影響，換熱器尺寸要比實(shí)際偏大31。有的采用簡化方法，把埋管與周圍土壤換熱過程按未結(jié)凍和凍結(jié)兩種模型計(jì)算，凍

12、結(jié)時(shí)按凍結(jié)區(qū)的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和密度及末凍結(jié)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和密度分別建立盤管內(nèi)流體能量方程、盤管壁的能量方程、土壤凍結(jié)時(shí)的能量方程、土壤末凍結(jié)時(shí)的能量方程，最后采用有限差分法求解方程，得到凍結(jié)時(shí)和末凍結(jié)時(shí)的土壤溫度場分布情況?？紤]凍結(jié)時(shí)的土壤溫度均高于未考慮凍結(jié)時(shí)的溫度，而且含水量越高，溫度差別越大。埋管內(nèi)工作流體在南方地區(qū)，由于地溫高，冬季地下埋管進(jìn)水溫度在C以上，因此多采用水作為工作流體；北方地區(qū)，冬季地溫低，地下埋管進(jìn)水溫度一般均低于C，一般均使用防凍液。防凍液一般應(yīng)具有使用安全、無毒、無腐蝕性、導(dǎo)熱性好、成本低、壽命長等特點(diǎn)。目前應(yīng)用較多的有：鹽類溶液有氯化鈣和氧化鈉水溶液；乙二

13、醇水溶液；酒精水溶液等。經(jīng)對水C)%水溶液C和乙二醇水溶液C進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下。最小管內(nèi)流速流量按文獻(xiàn)臨界雷諾數(shù)二,為紊流，為層流。由和的計(jì)算公式，求出上述三種流體不同管徑下的最小流速，即最小流量。計(jì)算結(jié)果為在相同管徑、相同流速下，其雷諾數(shù)大小依次為水一一水溶液一一乙二醇水溶液，其臨界流速比為：。說明采用和乙二醇水溶液時(shí)，為保證管內(nèi)的紊流流動(dòng)，與水相比需采用大的流速和流量。不同流體管內(nèi)換熱系數(shù)/計(jì)算采用文獻(xiàn)計(jì)算公式，其計(jì)算結(jié)果為在相同流速、相同管徑下，水的換熱系數(shù)最大。其大小排序?yàn)樗凰芤阂灰叶妓芤?，其比值與管徑和流速有關(guān)，在常用管徑及流速范圍內(nèi)，大小比值為：。管路沿程阻力f/計(jì)算由于地下埋管換熱器內(nèi)流動(dòng)一般均在紊流或紊流光滑過渡區(qū)內(nèi)，即