PDF《地源热泵技术集成及其推广应用》

1 地源热泵技术集成及其推广应用 方肇洪 山东建筑大学 地源热泵研究所 地源热泵技术应用于建筑供热空调中可以有效地提高一次能源利用率,减少 CO2 的 排放,是一种可持续发展的建筑节能新技术.

地源热泵空调系统是利用地下土壤温度相 对稳定的特性,通过输入少量的高品位能源(如电能) ,运用地下土壤与建筑物内部进 行热量的交换,实现低品位热能向高品位转移的冷暖两用空调系统.地源热泵空调系统 在向建筑物供热的时候,70%的热量来源于地下岩土,30%的能量来自电力.因此它要比 电锅炉加热节省三分之二以上的电能,比燃料锅炉直接供热可节省一次能源二分之一;

运行费用为各种采暖设备的 30-70%.地源热泵空调系统大大提高了一次能源的利用率. 在冬季供暖时不需要锅炉,可大幅度降低温室效应气体和其它污染物的排放,很好地保 护了大气环境.以地下水为热源的 地下水源热泵 系统对推动热泵在建筑空调中的应 用起到了很好的作用,但是这种系统因过多开采地下水资源而受到限制.地埋管地源热 泵技术通过在地下埋管,构成 地热换热器 ,使大地成为热泵系统的冷热源.它有不 受地下水资源限制的优点,可有效地保护地下水资源. 山东建筑大学地源热泵研究所在消化吸收国外先进技术的基础上,坚持基础理论的 研究创新和工程技术的开发应用并举的方针,在地源热泵领域不断探索,取得了一些国 际领先水平的成果,得到了国内外同行的关注和好评,作为第一参编单位参与编写了国 家标准《地源热泵系统工程技术规范》 ;

出版了专著《地埋管地源热泵技术》 .在省内外 推广应用地源热泵工程

30 余项,技术支持和技术输出的单位十余家.该技术成果多次 获得山东省和建设部的奖励,2009 年又获得国家科技进步二等奖.成果的主要内容有: 1. 地热换热器传热理论及设计和模拟计算软件 地热换热器设计是否合理决定着地源热泵系统的经济性和运行的可靠性.建立较为 准确的地下传热模型是合理地设计地热换热器的前提.由于地下传热的复杂性,地热换 热器传热模型的研究一直是地源热泵空调系统的技术难点和应用基础. 地热换热器中的传热过程是一个复杂的、非稳态的传热过程,所涉及的时间尺度很 长, 空间区域很大. 在我们近年来的研究中, 突破了美国和欧洲研究者未能解决的障碍,

2 导得了地热换热器的几个重要环节的二维或准三维传热问题的解析解. 由于取消有关的 简化假设,提高了模型的精度;

而且这些显式的函数关系式可以直接应用于地热换热器 设计和模拟计算,使计算工作量大大减少. 立足于这些创新性的研究成果,我们开发了有自主知识产权的地热换热器设计和模 拟计算软件 地热之星 .这样,就可以计算在任意变化的负荷作用下,任意配置的地 热换热器在长达

20 年或更长的时间里的温度变化以及传热性能. 地热之星 设计及模 拟计算软件的一个功能是模拟计算, 允许用户对已存在的地源热泵地热换热器系统进行 模拟,模拟结果有循环液进入热泵的月平均温度,循环液进出热泵的极值温度,热泵每 月消耗的功及单位长度的钻孔平均每月从地下吸取的热量.其另一个功能是设计计算. 该软件可以根据用户给定的允许工作温度设计地热换热器的尺寸,也就是钻孔的总长 度.该软件以可视化图形界面和对话框的形式面向用户,使用户使用起来简单明了. 2. 现场测试深层岩土热物性参数的方法及仪器 地下岩土导热系数是设计地源热泵系统地热换热器的重要参数.地下地质结构构成 复杂,难以得到整个孔深方向地质结构的详细资料,即使同一种岩石或地质成分,其热 物性参数相差也比较大. 如果物性参数不准确, 则设计的系统有可能不能满足负荷需要;

也可能规模过大,从而大大增加初投资.因此国家标准《地源热泵系统工程技术规范》 要求在现场直接测量得到可靠的地下岩土平均热物性参数. 我们提出的地热换热器传热 模型为地下岩土热物性的测试奠定了理论基础.为了计算周围岩土的平均热物性参数, 可以采用参数估计结合非稳态传热模型的方法,根据仪器在现场测得的数据,利用传热 学理论反算钻孔周围岩土的平均热物性参数. 我们已经根据以上原理开发了用于地源热 泵系统的深层岩土热物性测量仪,并在多个实际工程中得到应用,取得了良好的效果. 3. 地埋管钻孔高性能回填材料 回填是地埋管换热器施工过程中的重要的环节,即在钻孔完毕、下完 U 型管后,向 钻孔中注入回填材料.它介于地埋管换热器的埋管与钻孔壁之间,用来增强埋管和周围 岩土的换热;

同时防止地面水通过钻孔向地下渗透,以保护地下水不受地表污染物的污 染,并防止各个蓄水层之间的交叉污染.回填材料的选择以及正确的回填施工对于保证 地埋管换热器的性能有重要的意义.

3 回填材料的主要特性包括回填材料的导热系数、 是否各向同性及其稳定性、 工作性、 抗渗性、强度、热压变形、与埋管以及钻孔壁的结合程度、经济性、耐久性以及对环境 是否无污染等.由于目前国内对回填材料的研究基本上还是空白.我们通过实验对基于 水泥、石英砂的回填材料进行了配比优化选择研究.采用国际上先进的瞬态平面热源技 术研究了各种组成物对水泥砂浆回填材料导热系数的影响规律,并对其它工作性、膨胀 性、 抗渗性等性能进行了研究, 开发出了适合国情的具有良好特性的水泥砂浆回填材料, 其导热系数可达 2.1 W/m.K 以上,超过了美国 Brookhaven 国家实验室报道的高性能回 填材料的水平.理论计算表明,与传统的膨润土回填材料相比,采用这种新型回填材料 可显著节省地埋管换热器钻孔埋管长度;

特别是对于在坚硬岩石的地层中设置的地埋管 换热器,采用高性能回填材料具有明显的降低地埋管换热器的长度及其初投资的效果. 4.地源热泵复合系统的设计及运行优化 在地源热泵空调系统全年运行过程中,冬季通过热泵把从地下吸收的热量升高温度 后对建筑供热,同时地下埋管周围的温度降低;

夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给 大地,对建筑物降温,同时地下埋管周围的温度升高.在很多情况下地埋管换热器全年 的冷热负荷是不平衡的. 例如在北方建筑物冬季的供暖负荷和供暖时间远大于夏季的空 调负荷和空调时间;

而在南方情况则相反.在这种情况下,地埋管换热器的吸热和放热 不平衡,多余的热量(或冷量)就会在地下积累,引起地下年平均温度的变化,进而影 响地埋管换热器的出力.设计使用地源热泵复合系统就是为了解决这一问题,降低全年 负荷不平衡地区地源热泵系统的初投资和运行费用. 除了准确设计辅助散热装置或辅助 加热装置以外,还需设计出整个系统的运行控制方式.这需要对整个地源热泵复合系统 的运行进行全年逐时能耗分析, 在给定气候条件和电费计价方式下确定出初投资和运行 费用最小的系统形式和控制措施. 我们已经开发出了这种针对地源热泵复合系统的能耗 分析软件,为系统的设计和运行优化提供了手段. 5.桩基埋管地热换热器和太阳能-地源热泵复合系统 这是地源热泵技术发展的两个新领域.山东建筑大学的研究组在国际上首次提出了 桩基螺旋埋管换热器的传热模型并求得了解析解,为该技术的工程应用奠定了理论基 础.同时也进行了桩基埋管地源热泵系统的工程示范.太阳能-地源热泵复合系统是充

4 分发挥两种新能源技术的长处,解决北方地区供热能源的新途径.对该技术的理论研究 和工程应用都在进行中. 6.施工技术开发和工程应用 在进行理论研究和技术开发的同时,我们从一开始就十分重视地源热泵技术的工程 实际应用.首先在山东建筑工程学院学术报告厅中采用了地源热泵空调系统.该工程于

2001 年5月正式投入使用, 是我国最早投入实际运行的竖直埋管地源热泵空调系统. 经 六年运行的检验,效果良好.随后我们又陆续进行了

30 多个地源热泵空调工程的设计 与施工,为地源热泵技术的推广应用起到了示范和推动作用. 此外,山东建筑大学地源热泵研究所和山东亚特尔地源空调有限公司合作于

2005 年组建了山东方亚地源热泵空调技术有限公司, 依托地源热泵研究所在地源热泵理论和 应用技术方面的领先优势以及亚特尔地源空调有限公司先进的地质施工设备和强有力 的施工能力,成为国内地源热泵推广应用领域重要的生力军.公司具有在各种复杂地质 条件下从事钻探和施工的强大技术队伍和先进的设备, 可承担包括超硬岩层在内的各种 不同地质构造中的钻孔作业. 这一产学研结合的产物为地源热泵技术的推广应用构建了 一个新的平台. ........