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010土壤源热泵技术分析第18卷 第6期 武汉科技学院学报 Vol.18 No.6
2005年06月 JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND ENGINEERING Jun. 2005
土壤源热泵技术分析
郑万兵,吴宜珍
(武汉科技学院 机电工程系, 湖北 武汉 430073)
摘 要: 阐述土壤源热泵制冷(供热)的基本原理,介绍埋地换热器常见的形式,探讨土壤源热泵的特点和
目前面临的主要技术问题,简要分析其在国内的研究,应用现状及发展前景.
关键词: 土壤源热泵;一次能源利用率;埋地换热器
中图分类号:TU8 文献标识码:A 文献编号:1009-5160(2005)-0046-03
大地蓄有无穷无尽的热量.在地面以下一定的深度,土壤温度比较稳定,终年波动幅度小,且对大气温度变化来说,有
时间延迟和峰值衰减的作用.土壤源热泵就是利用土壤的这些特性,通过消耗少量的电能,就能从土壤中提取冷量,夏季供
给建筑物空调冷冻水;或从地下采集热量,供给建筑物冬季采暖热媒.土壤源热泵可降低制冷,供热设备的能源消耗,减少
空调系统运行费用,甚至还可省去锅炉,避免消耗大量的矿物燃料,及减少由此产生的温室气体,不会造成对大气环境的污
染和破坏,是一种利用可再生能源的绿色空调.
所谓土壤源热泵,就是将空气源热泵的室外侧"制冷剂-空气换热器",改为"制冷剂-中间换热流体介质(水或其它抗冻
液)-土壤换热器".由于土壤源热泵无需采用制冷剂-空气换热器,避免了换热器冬季运行时的结霜,融霜,同时,相对于地
面空气而言,地下深处冬季土壤温度较高,因而热泵供热时的COP值得以提高,显示出明显的节能特性.
20世纪90年代以来,土壤源热泵技术的研究与应用,进入了一个新的发展阶段.目前在欧美市场上,土壤源热泵装置
占各种热泵份额约为3%,并在不断增长.据资料介绍,美国1985年只安装有1.4万台土壤源热泵,但到2001年,已累计
安装40多万台 [1].在欧洲中部和北部地区,由于冬季气候寒冷,土壤源热泵主要应用于建筑物采暖,近年来,瑞典使用土
壤源热泵的数量以每年1000套的速度增长[2].但我国在这一领域的起步较晚,研究成果不多,目前实际应用的工程还很少,
且工程制冷量(供热量)均不大.
1 土壤源热泵制冷(供热)基本原理
土壤源热泵是热泵的一种类型,它从地表浅层土壤内获取热能,向建筑物供冷或供热,是一种高效节能空调装置.土壤
源热泵的制冷(制热)循环属于单级蒸气压缩式理论循环,并非逆卡诺循环.实际工程中应用的热泵,其蒸气压缩过程不是
绝热过程,存在汽缸余隙,吸排气阀阻力,摩擦损失等,因此压缩机消耗的功率比理论功率大.利用土壤源热泵的逆循环(制
热循环),可通过冷凝器向房间供热.
常见的土壤源热泵系统由压缩机,冷凝器,节流装置和蒸发器组成,主要包含三部分:热泵的驱动能源(如电能),热
泵的工作机和低温热源—土壤.其制冷(供热)系统原理见图1.土壤源热泵系统,利用土壤的蓄热性能,通过埋地换热器,
夏季把室内的热量取出,释放到埋地换热器附近的土壤中去,即利用土壤冷却埋地换热器管内的制冷工质,工质经节流后,
在蒸发器内吸热蒸发,从而实现向建筑物供给冷量.冬季,系统利用四通阀的转换,埋地换热器转变为蒸发器,图中装置6
转变为冷凝器,通过释放冷凝热,向建筑物供暖.土壤源热泵的供热量永远大于它所消耗的功量.
为了比较土壤源热泵与锅炉供热的经济性,从一次能源利用率(PER-primary enery ratio)来看,能源最终利用率不仅要
考虑COP值的大小,还要考虑一次能源转换成驱动热泵的电能的效率.PER实为供热设备输出的有效能量与其消耗的一次
能源之比值.
收稿日期:2005-01-12
作者简介:郑万兵(1964-),男,副教授,高级工程师, 研究方向:建筑物室内人工环境控制,空调设备节能技术.
第6期 郑万兵,等:土壤源热泵技术分析 47
△PER=P E R热泵 - PER锅炉 =[1-ηb/(COP×ηe×ηc)]×100%,根据我国能源情况,燃煤供热锅炉平均热效率ηb≈70%,
火力发电厂效率ηe≈32%,输变电效率ηc≈90%,若土壤源热泵的COP=3.2,则△PER=24%.可见,采用此类热泵供热比
采用锅炉供热节约一次能源24%,具有节能效果.
2 埋地换热器的形式
与水源热泵,空气源热泵等比较,土壤源热泵是以土壤作为机组放热和吸热的场所.因此,埋地换热器是土壤源热泵系
统的主要部件,它直接影响到热泵的性能.早期的埋地换热器,主要采用热阻小,抗压抗拉强度高的金属材料.实际使用中,
发现金属材料抗腐蚀性能较差,使用寿命短,造价相对较高等,这在一定程度上阻碍了土壤源热泵技术的应用.随着材料科
学的迅猛发展,现在的埋地换热器一般采用与土壤匹配性能好,抗腐蚀能力强,造价相对合理的聚乙烯塑料管等.
常见埋地换热器的管群敷设形式有三种,即水平式,垂直式,螺旋式[3].见图2.
(1)水平式敷设换热管.管道平均埋深较小,工
程开挖量小,施工方便,造价低,但换热器传热系数
小.如果埋深太浅时,埋管周围土壤温度易受地上空
气温度波动的影响,甚至可能出现冻冰现象,换热管
一般应埋设于土壤冰冻线以下.同时埋深太浅,埋管
易受到地面荷载的碾压破坏.水平式埋管方式占地面
积大,只适合于有足够场地的工程.
(2)垂直式敷设换热管.占地面积小,深层土壤
的地温稳定性好,基本不受地上空气温度波动的影响,但需增加钻孔的土建费用,适合1~10m深的U型换热管垂直敷设.
实际工程中采用最多的是垂直式敷设,其主要型式有U型管和套管两种.
(3)螺旋式敷设换热管.综合了水平式和垂直式的优点,占地最少,安装费用低,但系统阻力大,管道加工工艺要求
高,维修复杂.
3 土壤源热泵的主要特点
与广泛应用的空气源热泵相比,有以下特点:
(1)利用可再生能源,高效节能.地表浅层是一个巨大的太阳能集热器,收集了大约47%的太阳能,比人类每年利用
能量的500倍还多.因此,土壤源热泵采用的能源永远不会枯竭,是一种可再生的能源.研究表明,地表面5m以下的土壤,
年平均温度基本上不随季节变化,且约等于该地区的空气年平均气温,这说明无论夏季还是冬季,都非常适用于空调系统.
土壤源热泵借助于电能的消耗,从土壤中吸取难以直接利用的低品位热能,对温度为T K的热源供热,从而达到节能的目的.
(2)运行工况平稳.在室外空气温度高于35℃时,空气源热泵的制冷量就会降低;而在冬季,当室外气温低于5.8℃,
相对湿度大于67%时,蒸发器容易结霜,如不及时清除,有可能堵塞风流通道,导致制冷剂不能完全蒸发,压缩机产生回
液,热泵不能正常工作,故在冬季空气源热泵需频繁化霜,制热效率低,常需增设辅助加热器.与之相比,地下土壤温度较
1—压缩机;2—埋地换热器;3—止回阀;4—贮液器;5—节流装置;
6—夏季蒸发器(冬季冷凝器);7—循环水泵
图1 土壤源热泵制冷(供热)系统原理图
图2 埋地换热器的敷设方式 www.simosolar.com
武汉科技学院学报 2005年 48
高且相对稳定,几乎不受地上温度变化的影响,没有结霜之忧,土壤源热泵运行工况平稳.同时,也节省了空气源热泵结霜,
除霜所消耗的能量.
(3)土壤源热泵不需设置在屋顶等户外开敞处,没有轴流通风机产生的噪声,热泵机组可布置于封闭性能好的机房内,
噪声干扰可得到有效控制.夏季不会向周围空气大量排热,冬季不会向周围空气吸热.因而,避免了空调装置对建筑物声环
境,室外热环境的破坏作用.
4 有待解决的部分技术问题
(1)由于土壤不同程度地含有水分,地下水的水质是引起埋管腐蚀的重要原因.地下水对埋管产生腐蚀的主要成分有
铁,锰,钙,镁,氯离子,酸碱度,溶解氧等.若采用金属埋管,土壤水分对埋管的腐蚀作用大,需作防腐处理;若采用工
程塑料埋管,防腐性能可能提高,但其传热性能可能受到削弱.因此,针对典型土壤类型,需研制与之相匹配的埋管材料和
专用防腐剂.
(2)关于换热器的埋设深度.如果埋地过浅,运转过程中若土壤温度发生较大变化,可能随着土壤温降产生土壤冻冰
现象,使热泵系统蒸发温度产生变化.但换热器埋地过深,开挖工程量增加,埋管的运行检修也比较麻烦.特别是多年冻土,
胀缩土,湿陷性黄土地区,以及有抗震要求的地区,换热器的埋设面临的技术难题更多.因此,有必要深入研究换热器埋深
与土壤类型,土壤冰冻线之间的关系.
(3)埋地换热器夏季向周围土壤放热,冬季向周围土壤吸热,由于这一过程持续的时间很长,致使局部土壤的得热(或
失热)量非常大,特别是大型的空调系统更为明显,其对土壤热环境的影响应进行综合评估.
(4)由于土壤导热系数小,制冷剂与土壤之间的换热强度小,所敷设埋地换热器的换热面积很大,造成材料消耗量大,
因此,其造价高低和系统全年能耗的经济性需进行深入地分析.
此外,由于土壤与埋地换热器之间的换热过程非常复杂,部分换热机理还不十分明确,相关的数学模型还不十分完善,
不同土壤的传热与传质特性,埋地换热器的敷设型式与热泵系统的最佳匹配参数,也有待更进一步探讨.等等.
5 结语
土壤源热泵因其高效节能,设备运行平稳,对空气环境破坏小,是一种利用可再生能源的新型空调设备,其研究与应用
越来越受到各国的重视.但是,由于理论研究的相对滞后,地理条件的差异,经济发展水平总体较低等原因,加上土壤源热
泵应用的局限性,这些因素都在一定程度上阻碍了土壤源热泵技术在我国的应用.但是,在节能,环保意识日益深入人心的
今天,随着人们对土壤源热泵技术认识的逐步加深,以及该技术的日益成熟,土壤源热泵在我国的应用一定会越来越多.
参考文献:
[1] 李元旦,等. 土壤源热泵的国内外研究和应用现状及展望[J]. 制冷空调与电力机械,2002,23(1):4-7.
[2] 孙友宏,胡克. 岩土钻掘工程应用的又一新领域-地源热泵技术[J]. 探矿工程,2002,(增刊): 7-11.
[3] 万仁里. 谈地源热泵[J]. 建筑热能通风空调,2002, 21(1):46-47.
An Approach to Technique of Ground Source Heat Pump
ZHENG Wan-bing, WU Yi-zhen
(Dept. of Electromechanical Engineering, Wuhan University of Science and Engineering, Wuhan Hubei 430073, China)
Abstract: Expounds the principles of ground source heat pump technique, introduces the forms of buried ground exchanger and the
characteristic of GSHP, analyse the materials on the research and application and developing prospects of the GSHP.
Key Words: ground source heat pump(GWHP); primary enery ratio; buried ground exchanger
2005年06月 JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND ENGINEERING Jun. 2005
土壤源热泵技术分析
郑万兵,吴宜珍
(武汉科技学院 机电工程系, 湖北 武汉 430073)
摘 要: 阐述土壤源热泵制冷(供热)的基本原理,介绍埋地换热器常见的形式,探讨土壤源热泵的特点和
目前面临的主要技术问题,简要分析其在国内的研究,应用现状及发展前景.
关键词: 土壤源热泵;一次能源利用率;埋地换热器
中图分类号:TU8 文献标识码:A 文献编号:1009-5160(2005)-0046-03
大地蓄有无穷无尽的热量.在地面以下一定的深度,土壤温度比较稳定,终年波动幅度小,且对大气温度变化来说,有
时间延迟和峰值衰减的作用.土壤源热泵就是利用土壤的这些特性,通过消耗少量的电能,就能从土壤中提取冷量,夏季供
给建筑物空调冷冻水;或从地下采集热量,供给建筑物冬季采暖热媒.土壤源热泵可降低制冷,供热设备的能源消耗,减少
空调系统运行费用,甚至还可省去锅炉,避免消耗大量的矿物燃料,及减少由此产生的温室气体,不会造成对大气环境的污
染和破坏,是一种利用可再生能源的绿色空调.
所谓土壤源热泵,就是将空气源热泵的室外侧"制冷剂-空气换热器",改为"制冷剂-中间换热流体介质(水或其它抗冻
液)-土壤换热器".由于土壤源热泵无需采用制冷剂-空气换热器,避免了换热器冬季运行时的结霜,融霜,同时,相对于地
面空气而言,地下深处冬季土壤温度较高,因而热泵供热时的COP值得以提高,显示出明显的节能特性.
20世纪90年代以来,土壤源热泵技术的研究与应用,进入了一个新的发展阶段.目前在欧美市场上,土壤源热泵装置
占各种热泵份额约为3%,并在不断增长.据资料介绍,美国1985年只安装有1.4万台土壤源热泵,但到2001年,已累计
安装40多万台 [1].在欧洲中部和北部地区,由于冬季气候寒冷,土壤源热泵主要应用于建筑物采暖,近年来,瑞典使用土
壤源热泵的数量以每年1000套的速度增长[2].但我国在这一领域的起步较晚,研究成果不多,目前实际应用的工程还很少,
且工程制冷量(供热量)均不大.
1 土壤源热泵制冷(供热)基本原理
土壤源热泵是热泵的一种类型,它从地表浅层土壤内获取热能,向建筑物供冷或供热,是一种高效节能空调装置.土壤
源热泵的制冷(制热)循环属于单级蒸气压缩式理论循环,并非逆卡诺循环.实际工程中应用的热泵,其蒸气压缩过程不是
绝热过程,存在汽缸余隙,吸排气阀阻力,摩擦损失等,因此压缩机消耗的功率比理论功率大.利用土壤源热泵的逆循环(制
热循环),可通过冷凝器向房间供热.
常见的土壤源热泵系统由压缩机,冷凝器,节流装置和蒸发器组成,主要包含三部分:热泵的驱动能源(如电能),热
泵的工作机和低温热源—土壤.其制冷(供热)系统原理见图1.土壤源热泵系统,利用土壤的蓄热性能,通过埋地换热器,
夏季把室内的热量取出,释放到埋地换热器附近的土壤中去,即利用土壤冷却埋地换热器管内的制冷工质,工质经节流后,
在蒸发器内吸热蒸发,从而实现向建筑物供给冷量.冬季,系统利用四通阀的转换,埋地换热器转变为蒸发器,图中装置6
转变为冷凝器,通过释放冷凝热,向建筑物供暖.土壤源热泵的供热量永远大于它所消耗的功量.
为了比较土壤源热泵与锅炉供热的经济性,从一次能源利用率(PER-primary enery ratio)来看,能源最终利用率不仅要
考虑COP值的大小,还要考虑一次能源转换成驱动热泵的电能的效率.PER实为供热设备输出的有效能量与其消耗的一次
能源之比值.
收稿日期:2005-01-12
作者简介:郑万兵(1964-),男,副教授,高级工程师, 研究方向:建筑物室内人工环境控制,空调设备节能技术.
第6期 郑万兵,等:土壤源热泵技术分析 47
△PER=P E R热泵 - PER锅炉 =[1-ηb/(COP×ηe×ηc)]×100%,根据我国能源情况,燃煤供热锅炉平均热效率ηb≈70%,
火力发电厂效率ηe≈32%,输变电效率ηc≈90%,若土壤源热泵的COP=3.2,则△PER=24%.可见,采用此类热泵供热比
采用锅炉供热节约一次能源24%,具有节能效果.
2 埋地换热器的形式
与水源热泵,空气源热泵等比较,土壤源热泵是以土壤作为机组放热和吸热的场所.因此,埋地换热器是土壤源热泵系
统的主要部件,它直接影响到热泵的性能.早期的埋地换热器,主要采用热阻小,抗压抗拉强度高的金属材料.实际使用中,
发现金属材料抗腐蚀性能较差,使用寿命短,造价相对较高等,这在一定程度上阻碍了土壤源热泵技术的应用.随着材料科
学的迅猛发展,现在的埋地换热器一般采用与土壤匹配性能好,抗腐蚀能力强,造价相对合理的聚乙烯塑料管等.
常见埋地换热器的管群敷设形式有三种,即水平式,垂直式,螺旋式[3].见图2.
(1)水平式敷设换热管.管道平均埋深较小,工
程开挖量小,施工方便,造价低,但换热器传热系数
小.如果埋深太浅时,埋管周围土壤温度易受地上空
气温度波动的影响,甚至可能出现冻冰现象,换热管
一般应埋设于土壤冰冻线以下.同时埋深太浅,埋管
易受到地面荷载的碾压破坏.水平式埋管方式占地面
积大,只适合于有足够场地的工程.
(2)垂直式敷设换热管.占地面积小,深层土壤
的地温稳定性好,基本不受地上空气温度波动的影响,但需增加钻孔的土建费用,适合1~10m深的U型换热管垂直敷设.
实际工程中采用最多的是垂直式敷设,其主要型式有U型管和套管两种.
(3)螺旋式敷设换热管.综合了水平式和垂直式的优点,占地最少,安装费用低,但系统阻力大,管道加工工艺要求
高,维修复杂.
3 土壤源热泵的主要特点
与广泛应用的空气源热泵相比,有以下特点:
(1)利用可再生能源,高效节能.地表浅层是一个巨大的太阳能集热器,收集了大约47%的太阳能,比人类每年利用
能量的500倍还多.因此,土壤源热泵采用的能源永远不会枯竭,是一种可再生的能源.研究表明,地表面5m以下的土壤,
年平均温度基本上不随季节变化,且约等于该地区的空气年平均气温,这说明无论夏季还是冬季,都非常适用于空调系统.
土壤源热泵借助于电能的消耗,从土壤中吸取难以直接利用的低品位热能,对温度为T K的热源供热,从而达到节能的目的.
(2)运行工况平稳.在室外空气温度高于35℃时,空气源热泵的制冷量就会降低;而在冬季,当室外气温低于5.8℃,
相对湿度大于67%时,蒸发器容易结霜,如不及时清除,有可能堵塞风流通道,导致制冷剂不能完全蒸发,压缩机产生回
液,热泵不能正常工作,故在冬季空气源热泵需频繁化霜,制热效率低,常需增设辅助加热器.与之相比,地下土壤温度较
1—压缩机;2—埋地换热器;3—止回阀;4—贮液器;5—节流装置;
6—夏季蒸发器(冬季冷凝器);7—循环水泵
图1 土壤源热泵制冷(供热)系统原理图
图2 埋地换热器的敷设方式 www.simosolar.com
武汉科技学院学报 2005年 48
高且相对稳定,几乎不受地上温度变化的影响,没有结霜之忧,土壤源热泵运行工况平稳.同时,也节省了空气源热泵结霜,
除霜所消耗的能量.
(3)土壤源热泵不需设置在屋顶等户外开敞处,没有轴流通风机产生的噪声,热泵机组可布置于封闭性能好的机房内,
噪声干扰可得到有效控制.夏季不会向周围空气大量排热,冬季不会向周围空气吸热.因而,避免了空调装置对建筑物声环
境,室外热环境的破坏作用.
4 有待解决的部分技术问题
(1)由于土壤不同程度地含有水分,地下水的水质是引起埋管腐蚀的重要原因.地下水对埋管产生腐蚀的主要成分有
铁,锰,钙,镁,氯离子,酸碱度,溶解氧等.若采用金属埋管,土壤水分对埋管的腐蚀作用大,需作防腐处理;若采用工
程塑料埋管,防腐性能可能提高,但其传热性能可能受到削弱.因此,针对典型土壤类型,需研制与之相匹配的埋管材料和
专用防腐剂.
(2)关于换热器的埋设深度.如果埋地过浅,运转过程中若土壤温度发生较大变化,可能随着土壤温降产生土壤冻冰
现象,使热泵系统蒸发温度产生变化.但换热器埋地过深,开挖工程量增加,埋管的运行检修也比较麻烦.特别是多年冻土,
胀缩土,湿陷性黄土地区,以及有抗震要求的地区,换热器的埋设面临的技术难题更多.因此,有必要深入研究换热器埋深
与土壤类型,土壤冰冻线之间的关系.
(3)埋地换热器夏季向周围土壤放热,冬季向周围土壤吸热,由于这一过程持续的时间很长,致使局部土壤的得热(或
失热)量非常大,特别是大型的空调系统更为明显,其对土壤热环境的影响应进行综合评估.
(4)由于土壤导热系数小,制冷剂与土壤之间的换热强度小,所敷设埋地换热器的换热面积很大,造成材料消耗量大,
因此,其造价高低和系统全年能耗的经济性需进行深入地分析.
此外,由于土壤与埋地换热器之间的换热过程非常复杂,部分换热机理还不十分明确,相关的数学模型还不十分完善,
不同土壤的传热与传质特性,埋地换热器的敷设型式与热泵系统的最佳匹配参数,也有待更进一步探讨.等等.
5 结语
土壤源热泵因其高效节能,设备运行平稳,对空气环境破坏小,是一种利用可再生能源的新型空调设备,其研究与应用
越来越受到各国的重视.但是,由于理论研究的相对滞后,地理条件的差异,经济发展水平总体较低等原因,加上土壤源热
泵应用的局限性,这些因素都在一定程度上阻碍了土壤源热泵技术在我国的应用.但是,在节能,环保意识日益深入人心的
今天,随着人们对土壤源热泵技术认识的逐步加深,以及该技术的日益成熟,土壤源热泵在我国的应用一定会越来越多.
参考文献:
[1] 李元旦,等. 土壤源热泵的国内外研究和应用现状及展望[J]. 制冷空调与电力机械,2002,23(1):4-7.
[2] 孙友宏,胡克. 岩土钻掘工程应用的又一新领域-地源热泵技术[J]. 探矿工程,2002,(增刊): 7-11.
[3] 万仁里. 谈地源热泵[J]. 建筑热能通风空调,2002, 21(1):46-47.
An Approach to Technique of Ground Source Heat Pump
ZHENG Wan-bing, WU Yi-zhen
(Dept. of Electromechanical Engineering, Wuhan University of Science and Engineering, Wuhan Hubei 430073, China)
Abstract: Expounds the principles of ground source heat pump technique, introduces the forms of buried ground exchanger and the
characteristic of GSHP, analyse the materials on the research and application and developing prospects of the GSHP.
Key Words: ground source heat pump(GWHP); primary enery ratio; buried ground exchanger
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