一、引言

随着经济的发展和人民生活水平的提高,公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求。在满足人们健康、舒适要求的前提下,合理利用自然资源,保护环境,减少常规能源消耗,已成为暖通空调行业需要面对的一个重要问题。地源热泵空调系统通过吸收大地(包括土壤、井水、湖泊等)的冷热量,冬季从大地吸收热量,夏季从大地吸收冷量,再由热泵机组向建筑物供冷供热而实现节能,是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型空调系统。

二、地源热泵空调系统

地源热泵(Groundsourceheatpump)是一种利用地下浅层地热资源既可供热又可制冷的高效节能空调系统。系统通过地源热泵将环境中的热能提取出来对建筑物供暖或者将建筑物中的热能释放到环境中去而实现对建筑物的制冷,夏季可以将富余的热能存于地层中以备冬用;冬季可以将富余的冷能贮存于地层以备夏用。这样,通过利用地层自身的特点实现对建筑物、环境的能量交换,其原理(如图1)。

三、地源热泵优点及应用现状

地源热泵由于其技术上的优势,推广这种技术有明显的节能和环保效益,主要具有以下优点:(1)地源热泵系统比传统空调系统运行效率要高约40%,节能、运行费用低。(2)地源热泵系统可供暖、空调,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置。(3)开发推广地源热泵空调技术可彻底废除中小型燃煤锅炉房,无燃烧、无废弃物,没有任何污染,不会影响环境质量。(4)地表浅层地热资源量大面广,无处不在,它是一种清洁的可再生能源。

随着地源热泵技术的进步,到2000年底,美国有超过40万台地源热泵系统在家庭、学校和商业建筑中使用,每年约提供8000～11000Gwh的终端能量。我国地源热泵空调系统的设计,主要包括两大部分:一是建筑物内的水环路空调系统的设计;二是地源热泵空调系统的地下部分的设计,即地下耦合热泵系统的地下热交换器、地表水热泵系统的地表水热交换器、地下水热泵系统的水井系统的设计。地下耦合热泵系统最早应用在1989年10月投入运行的上海闵行开发区办公楼(4305m2,冷负荷4532kW,热负荷231kW),其技术和设备均由美国提供,使用情况良好。目前在我国来说,技术上比较成熟、利用可行性较大、实施的工程项目较多的还是地下水热泵系统。目前国内生产水源热泵机组的厂家也已达到二、三十家,因为国内还没有颁布水源热泵机组的生产技术标准,国内厂家生产的产品质量差别较大,从有些厂家的产品样本来看,技术参数不完整、不准确。

四、地源热泵空调系统设计

1.地源热泵系统分类。地源热泵系统按其循环形式可分为:开式循环系统、闭式循环系统、混合循环系统。(1)开式循环系统。开式循环系统是其管道中的水来自湖泊、河流或者竖井之中的水源,在以与闭式循环相同的方式与建筑物交换热量之后,水流回到原来的地方或者排放到其它的合适地点。(2)闭式循环系统。封闭循环系统是指冷(热)源侧的循环水在机组室外换热器与地源换热器间形成封闭循环。管道可以通过垂直井埋入地下150～200英尺深或水平埋入地下4～6英尺处,也可以置池塘的底部。在冬天,管中的流体从地下抽取热量,带入建筑物中,在夏天则是将建筑物内的热能通过管道送入地下储存;所用管道为高密度聚乙烯管或其他防腐管道作为输送和地源热交换器材料。闭式循环系统是一种比较稳定可靠的常规循环系统,对地下水、地下环境没有污染,一般设计应优先考虑该循环系统。(3)混合循环系统。混合循环系统的地下换热器一般按热负荷来计算,夏天所需的额外的冷负荷由常规的冷却塔来提供。对于地下设计热交换空间不够充分,或垂直埋管困难等地下特殊情况,可考虑设计混合循环系统。

2.系统设计参数讨论。关于(冷)热源侧水流量,要由最大得热量和最大释热量确定的。埋管中水流速的选取取决于埋管循环流程长度、埋管材料、管径大小、当地地源条件以及机组的特性要求。一般如提高水流速度可适当增加换热系数,强化换热量,减小换热面积和换热管的耗材,但流速太快会增加循环水泵能量消耗,一般可取流速为0.65～1.5m/s。具体可当地条件进行优化分析与设计,其优化设计考虑的参数关系如下。复合能耗N=f(长度LLT、埋管材料Ma、管径D、地源温度Te,地源热指标Ke,机组特性Type)在机组选择上,设定地埋管进水温度,根据测井测出的进出水温差推算出地埋管出水温度,进而确定热泵机组中工质冬季的蒸发温度和冷凝温度。总之,我国幅员辽阔,地处温带,在不同地区气候条件差异很大,其负荷也迥然不同。因此不能照搬国外的技术成果,而要开发适合我国气候特点的技术。

3.机组的设计。地源热泵的形式比较多,其中商用化最为广泛的是蒸汽压缩式热泵。以水-水系统为例,由一个室外机组和多个室内机组组成。该系统可以对每个空调室进行单独调节,满足各个空调室的要求,具有较好的节能效果。变频户式地源热泵空调系统加上独立的新风系统是一很有发展前景的理想的节能舒适型户式中央空调系统,因而其优化设计具有极其重要的价值。传统的制冷系统设计方法是基于经验加实验为主,通常经验设计方法简便易行,对理论知识和实验条件等依赖性相对较小。然而经验设计方法不可避免地具有直接和可靠性低、稳定性差的缺点,只适于产品的初步开发。基于理论预测的优化设计技术可以有效。

最优化方法就是在一切可行方案中选出最优方案的方法。在最优化设计中,表征方案的一切独立变量为设计变量,最优化方法就是研究如何合理地确定这些变量的方法。评价方案优劣的指标决定于该方案所选定的设计变量,即该指标为设计变量的函数-目标函数。在系统优化设计中,设计变量的取值常常受到种种条件的限制,即约束条件。变频户式地源热泵空调系统由变频压缩机、冷凝器、蒸发器、电子膨胀阀、室内机、制冷剂管路和水泵水管路系统组成。根据制冷系统热力学理论,利用参数动态分布、相互关联的方法,建立系统各部件数学模型和运行参数动态方程,组成系统运行参数的方程组,并对该系统进行动态模拟。模拟系统的动态特性,为优化设计提供依据。为满足空调系统的节能、热舒适性及制冷制热好的效果,空调系统的能效比、降(升)温速率和降(升)温幅度要达到指标要求。因而在优化设计时,分别选取能效比、降(升)温速率和降(升)温幅度为目标函数的多目标优化方法。同时考虑满足冷凝器和蒸发器结构、面积范围、迎面风速范围、系统温度和压力变化范围、水和制冷剂流量范围、过冷过热度范围和室内机数量等约束条件的要求,利用优化方法进行对上述目标多目标优化计算,从而达到针对不同地域的地源热泵系统的优化设计的目的。

4.地源热泵地下换热器形式与布设。土壤热交换器是地源泵机组设计的关键。地源热土壤换热器有多种形式,如水平埋管、竖直埋管等,这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境。在中国采用竖直埋管更显示出其优越性:节约用地面积,换热性能好,可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能,甚至可在建筑物桩基中设置埋管,见缝插针充分利用可利用的土地面积。下面就竖直埋管换热器的设计进行简单的探讨。

(1)竖直埋管材料和深度。埋管材料最好采用塑料管,因与金属管相比,塑料管具有耐腐蚀、易加工、传热性能可满足换热要求、价格便宜等优点,可供选用的管材有高密度聚乙烯管(PE管)、铝塑管等。竖直埋管的管径也可有不同选择,如DN20、DN25、DN32、DN50等。竖直埋管可须根据当地地质条件而定,可以从20m～200m。确定深度应综合考虑占地面积、钻孔设备、钻孔成本和工程规模。如果地表土壤层很厚,钻孔费用相对便宜,宜采用较深的竖直埋管,反之,采用浅埋。埋管间距一般以5～6m及以上,要综合考虑当地的地质及土壤的传热情况。

(2)竖直埋管换热器回填、灵敏度。竖直埋管换热器的形成是从地面向下钻孔达到预计深度,将制作好的U型管下入孔中,然后在孔中回填不同材料。在接近地表层处用水平集水管、分水管将所有U型管并联构成地下换热器。根据地质结构不同,回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能最好,但造价高、施工难度大,但可结合建筑物桩基一起施工。

(3)竖直埋管换热器中传热的衰减。竖直埋管换热器中流动的循环水的温度是不断变化的。夏季供冷工况进行时,由于蓄热地温提高,机组运行时水温不断上升,停机时水温又有所下降,当建筑物得热达到最大时水温升至最高点。冬季供热工况运行时则相反,由于取热地温下降,当建筑物失热最多时,换热器中水温达到最低点。对于签埋管尤其严重。设计时,首先应设定换热器埋管中循环水最高温度和最低温度。由于埋管换热器的表面结垢等影响,设计时要考虑衰减,设定值应通过经济比较选择最佳状态点。

五、结论

地源热泵作为一种环保节能的空调方式,是一项跨专业、跨学科的综合能源利用技术,需要通过相关专业技术人员的通力协作做好地源热泵机组的设计、安装、运行、维护等各个方面。近十几年来,尤其是近五年来,地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及法国、瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展,中国的地源热泵市场也日趋活跃,可以预计,该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。