地源热泵的应用与前景
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摘要:随着我国社会经济的发展及人民生活水平的不断提高,改善建筑舒适条件已成为一个比较突出的要求。现阶段在保证使用功能不降低的情况下,应采取各种有效的技术和管理措施,把新建房屋建筑的能耗较大幅度地降下来,对原有建筑物有计划地进行节能改造,达到节省能源、保护环境和提高人民生活质量的目的。地源热泵作为一种有益环境、节约能源和经济可行的建筑物供暖及制冷新技术越来越受到关注。
关键词:地源热泵;节能环保;低碳;效益分析
中图分类号:TK523文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)13-0033-02
一、地源热泵的分类及其特点
地源热泵在国内也被称为地热泵。根据地热源的种类和方式不同可分为以下三类:
(一)土壤源热泵
土壤源热泵以大地作为热源,热泵的换热器埋于地下,与大地进行冷热交换。土壤源热泵系统主机通常采用水―水热泵机组或水―气热泵机组。根据地下热交换器的布置形式,主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管三类。
(二)地下水热泵系统
目前在民用中已经很少使用,主要应用在商业建筑中。最常用的系统形式是采用水―水式板式换热器,一侧走地下水,一侧走热泵机组冷却水。
(三)地表水热泵系统
地表水热泵系统主要有开路和闭路系统。地表水热泵系统具有相对造价低廉、泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。但是,在公共用的河中,管道或水中的其他设备容易受到损害。另外,如果湖泊过小或过浅,湖泊的温度会随着室外气候发生较大的变化,这就会产生效率降低,制冷或供热能力降低的后果。
二、工程实例
(一)工程概况
京珠盛世服装工业园位于北京经济技术开发区,此项目总占地面积为17005.3m2,总建筑面积为30278.5m2。空调系统包括样品生产车间、生产综合楼区域、宿舍楼。其中样品生产车间区域的空调系统采用地源水环热泵,生产综合楼区域和宿舍楼区域的空调系统采用地源模块机组空调系统解决本工程供冷、供热采暖问题。
(二)技术关键和难点
1.地下埋管地源热泵分析。(1)可用作埋管的总面积。样品生产车间区域,面积为4000m2以及室外的绿化区域;(2)可埋管数量。埋管方式采用双U型管竖直埋管,井深取100m,井间距按5m计算,埋管深度100m,PE管管径为φ32mm。根据实际情况及图纸,计算出需要地埋管数量为260眼。
2.地下垂直埋管换热器的方式。垂直埋管换热器通常采用的是U型方式。
3.地源热泵与普通中央空调方式的比较。土壤源热泵作为地源热泵今后发展的主要方向,我们将其与普通中央空调方式作以下四方面的比较:(1)主机设置。普通中央空调系统风冷热泵主机的设置必须要与外界通风良好,因此,热泵主机的设置受到极大的限制,若设置冷水机组+锅炉进行冷热空调,冷却塔和锅炉的位置就更受限制。而土壤源热泵主机的设置就非常灵活,可以设置在建筑物的任何位置。因此地源热泵系统的主机设置是非常灵活的。(2)运行效率。对于普通中央空调系统无一例外的要受外界天气条件的限制,运行效率下降,而土壤源热泵机组与外界的换热是通过大地,而大地的温度很稳定,不受外界空气的变化而影响运行效率,因此,土壤源热泵的运行效率是最高的。(3)控制系统。在北方地区,风冷热泵在冬季使用时,有冲霜问题,而土壤源热泵系统就根本不存在这些问题。(4)环境保护。土壤源热泵系统实际是真正意义的绿色环保空调,不会对建筑外大气环境造成不良影响。而普通中央空调系统,将废热气或水蒸气排向室外环境,无一例外的都对环境造成了极大的污染。
(三)施工工艺流程
1.主要设备。本工程采用钻机钻孔和一套灌注系统。灌注系统由搅拌机、集浆箱、泥浆泵组成。
2.U型埋管热泵技术施工。影响埋管换热器的主要因素有埋管形式、埋管或竖井的间距、埋深、管径、循环介质流量等。此外,还受埋管地点的地质状况、气候特征、建筑物的负荷变化状况的影响。地下埋管换热器施工主要包括钻孔和换热器的安装:(1)钻孔。钻孔是竖埋管换热器施工中最重要的工序。施工前应对埋管场地地质状况进行了解。特别应注意是否在地下管线及其准确位置。孔径的大小以能够容易的插入所设计的U型管及灌浆管为准。灌浆用管采用相同材料和规格;(2)U型管的联接。U型管的联接采用熔接法;(3)下管。钻孔完毕后应及时下管,因为钻孔有大量的沉积泥沙,这容易减少钻孔的有效深度。因此,每钻完一个孔,应及时把U型管或套管放入。下管是一个非常关键的步骤,下管的成功与否决定了系统是否能够安装成功。应注意尽量保持同心度并且管与管不要接触太紧,以防止产生换热器的“短路”现象;(4)回填封井。下管完成后做第二次水压实验后,确认U型管无渗漏,便可封井。施工时,先将水泥、膨润土和水按预先设计好的配比放入高速搅拌机中搅拌2～3min,然后排入低速搅拌罐中低速搅拌。灌浆时,先将阀门打开,把浆液排人到贮浆器中 (保证注浆不间断)。通过高压泥浆泵注入孔内,回落时,根据灌浆的快慢将灌浆管逐渐抽出。使混合浆自下而上回灌封井,确保钻孔回灌密实无空腔。
三、社会效益和经济效益
(一)社会效益
建筑能耗可占到社会总能耗的25%～30%,其中供热和空调是建筑能耗中最主要的部分。我国的能源结构主要依靠矿物燃料,特别是煤炭。矿物燃料燃烧产生的大量污染物。热泵就是能有效减少大气污染的供热和空调手段。
(二)经济效益
地源热泵空调系统与传统空调系统相比有节能、运行费用低的优点,是实现可持续发展的绿色建筑的有效技术之一。
1.运行费用。夏季、冬季生产车间制冷、供热大约120天左右,每天运行10小时,每度电按0.55元计算,生产综合楼与宿舍楼制冷、供热大约120天左右,每天运行20小时,每度电按0.55元计算。
2.热泵空调系统夏季运行费用为12.73元/m2,热泵空调系统冬季运行费用为14.13元/m2。
3.另一方面,在同等条件下,采用了地源热泵系统的建筑物能够减少维护费用。其地下部分可保证50年,地上部分可保证30年,因此地源热泵是免维护空调,节省了维护费用,使用户的投资在三年左右即可回收。
四、发展前景
地源热泵系统的能量来源与地下能源。它不向外界排放废气、废水、废渣,是一种理想的“绿色空调”,被认为是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。该系统无论严寒地区或热带地区均可应用,可广泛应用于办公楼、宾馆、学校、宿舍、医院、饭店、商场、别墅、住宅等领域。再结合高性能的外墙措施,对于我国当前的建筑节能要求来讲,是一种很值得推广的系统方案。
参考文献
[1]赵军,戴传山.地源热泵技术与建筑节能应用[M].中国建筑工业出版社,2007.
[2]孙晓光.地源热泵工程技术与管理[M].中国建筑工业出版社,2009.
[3]徐伟.可再生能源建筑应用技术指南[M].中国建筑工业出版社,2008.