[科普中國]-地耦管

簡介

隨著人們生活水平的提高以及居住面積的擴大,冬季鍋爐供暖所造成的大氣污染、夏季空調(diào)制冷的高能耗問題越來越突出。尋求新的低能耗無污染的供暖制冷空調(diào)技術(shù)意義重大。地源熱泵高效節(jié)能、無污染,既可供暖又可制冷,提高淺層地熱品位再利用,是二十一世紀的節(jié)能環(huán)保新技術(shù)。1

目前,我國開發(fā)應用的地源熱泵多為地下水源熱泵,由水泵抽取地下水通過熱泵換熱器與制冷劑進行熱交換一吸熱和排熱過程,完成供暖和制冷功能,經(jīng)過熱交換的地下水再排人或加壓泵人地下水層中。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,初投資也較節(jié)省,為在建筑物周圍沒有空地的情況下提供了一種解決方案。但它受當?shù)厮沫h(huán)境地質(zhì)政策的限制;機組性能受地下水文地質(zhì)條件的變化影響較大;尚有地下水對管路系統(tǒng)和換熱器的腐蝕問題,使用壽命較短。地藕管熱泵能克服地下水源熱泵的上述缺點,無任何污染,它以導熱好、抗腐蝕、強度高、且可繞曲的地埋聚乙烯管自成封閉系統(tǒng),制冷劑與土壤之間熱交換通過聚乙烯管內(nèi)中介流體進行。它不受地下水源的限制。地藕管熱泵在國內(nèi)尚不多見。1

地藕管地源熱泵系統(tǒng)設計地藕管地源熱泵樣機為加拿大MariitenGeothermal公司生產(chǎn)的R一65型空氣一水地源熱泵,額定功率為5Ton(1Ton=3.516kw·h),安裝在中國礦業(yè)大學(徐州本部),對一個建筑面積為201m2輕鋼結(jié)構(gòu)建筑進行供暖和制冷。1

地藕管換熱器的設計是地藕管熱泵系統(tǒng)設計中的關(guān)鍵問題。國內(nèi)外學者對地禍管換熱器設計的理論研究較多,提出了許多傳熱和管長計算模型。但地禍管換熱器的換熱特性與土壤特性密切相關(guān)。而確定土壤熱特性是一項十分困難的事,因影響其熱特性的因素眾多,其中某些參數(shù)(如濕度)又存在不確定性。1

地源熱泵技術(shù)在北美已非常成熟,針對地源熱泵機組、地藕管換熱器以及系統(tǒng)設計和安裝有一整套標準、規(guī)范、計算方法和施工工藝。1

地藕管換熱器設計參數(shù)垂直鉆孔深度本樣機地禍管選用垂直布置。垂直鉆孔深度參考北美家用地源熱泵安裝指南2中的推薦值,如表1。

徐州地區(qū)的地質(zhì)條件為:地表有一層約10m厚粘土,其下為密實的砂巖。按密實巖層計算垂直鉆孔深度為205(=41x5)m,實際總鉆孔深度取為220(=44X5)m。1

地藕管回路地藕管按每Ton一根垂直U形管并聯(lián)布置。從理論上來說,垂直鉆孔間的間隔越大,孔間傳熱相互影響越小。但由于受場地限制,不可能取得過大,參考北美的指南,取為5m。垂直埋管采用3/4’’聚乙烯管,水平連管采用114/“聚乙烯管。地藕管回路如圖1。1

循環(huán)水泵地藕管回路中注入濃度為15%的甲醇水溶液作為防凍液。甲醇水溶液通過循環(huán)水泵循環(huán)流動,使制冷劑與巖層之間換熱。為了提高甲醇水溶液與地禍管間的對流換熱能力,應使液流呈紊流流動。本樣機循環(huán)水泵的流量為3.3m3小,通過34/“聚乙烯管的流速為0.65ms/,其雷諾數(shù)為

（1-1）

式中:u一流速,ms/;d一管徑,m;v一水的運動粘性系數(shù),取。=1.006X10-6m2/s?？梢?Re>104,流動為紊流。1

地藕管地源熱泵的性能試驗地源熱泵的性能試驗采用室外水側(cè)量熱計法。1

試驗裝置如圖2所示。

用室外水側(cè)量熱計法按下式計算制冷量3:

Qtco=Ww-Cpw(tw2-tw1)/3600-Et (2)

用下式計算制冷性能系數(shù)

COPtco=Qtco/Et (3)

用室外水側(cè)量熱計法按下式計算供暖量3:

Qtho=Ww-Cpw(tw1-tw2)/3600+Et (4)

用下式計算供暖性能系數(shù)

COPtho=Qtho/Et (5)

式中Qtco—制冷量,W; Ww—水流量,kgs/; Cpw水的比熱容, Cpw=4.1868X103J/(kg·℃); tw1—進入室外側(cè)熱交換器的水溫,℃; tw2—離開室外側(cè)熱交換器的水溫,℃; Et—輸人熱泵的總功率,w; Qtho供暖量，W。

地藕管熱泵性能試驗R一65型地源熱泵制冷和供暖性能試驗數(shù)據(jù)示例如表2、表3所示4。

數(shù)據(jù)分析在近三個月的制冷運行期間,地藕管熱泵每天運行sh左右,熱泵啟動時地下循環(huán)水的起始溫度維持在18.5一20.5℃,說明熱泵經(jīng)循環(huán)水排放到地下的熱量與地禍管管壁周圍巖土沿半徑方向向外傳熱能形成動態(tài)平衡,從而確保熱泵長期穩(wěn)定運行。圖3為不同日期制冷循環(huán)水的起始溫度情況。1

圖4為制冷性能系數(shù)COPtco。與循環(huán)水進水溫度的關(guān)系。由圖可見，循環(huán)水進水溫度越低，制冷性能系數(shù)越高，近似為線性關(guān)系。當循環(huán)水進水溫度為20℃時,COPtco高達4.0以上;當循環(huán)水進水溫度升至31℃時,CoPtco尚可達到3.1。與此相比,夏天當?shù)卮髿鉁囟雀哌_38℃以上,普通空氣源空調(diào)的COPtco僅為2.5一2.8。故地藕管熱泵的制冷節(jié)能效果是明顯的。1

供熱初始幾天,循環(huán)水起始溫度有所下降,但下降幅度不大;進入長期運行后,逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài),溫度值在巧一16℃之間波動。說明白天熱泵通過循環(huán)水從巖土中吸取的熱量夜間已從地藕管遠處得到傳遞而恢復,并達到動態(tài)平衡,從而確保熱泵供暖運行的長期穩(wěn)定性。圖5為不同日期供暖循環(huán)水的起始溫度。1

圖6為供暖性能系數(shù)COPtco與循環(huán)水進水溫度的關(guān)系。由圖6可見，循環(huán)水進水溫度越高，供暖性能系數(shù)也越高，近似為一種線性分布關(guān)系。當循環(huán)水進水溫度為16. 8℃時，COPtco高達4.44，循環(huán)水進水溫度即使降至11.4℃時，COPtco也可以達到3.71。故地藕管熱泵的供暖節(jié)能效果也是明顯的。1

地源熱泵系統(tǒng)的具體應用當今社會，環(huán)境污染和能源危機已成為威脅人類生存的頭等大事，節(jié)能與環(huán)保應是我國優(yōu)先解決的課題，而地源熱泵技術(shù)運用到建筑物采暖空調(diào)中是理想的節(jié)能環(huán)保型空調(diào)技術(shù)。5

施工要點保證地耦管孔的深度，地耦管的長度符合設計要求是施工中的重點。打孔過程中不可避免出現(xiàn)孔深不達標， 廢孔的情況，這會導致地耦管長度不夠，出水溫度偏高/低（夏/冬季），機組耗電量增大。 此外灌漿也是需要關(guān)注的重點。灌漿材料為膨潤土和原漿的混合體，灌漿采用加壓回灌方式，保證密實，孔內(nèi)無空腔。5

能量消耗對比從兩種系統(tǒng)名義功率分別比較年運行費用，即傳統(tǒng)水冷冷水機組+鍋爐和地源熱泵模式。由表 1 可知地源熱泵相比傳統(tǒng)空調(diào)在運行費用方面的有著巨大優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在兩個方面： 一是地源熱泵的COP 值高 ，其中制冷時 COP 值高可達到5.6，制熱時 COP 值高可達到 5.2；二是可以夜間制造生活熱水，利用波峰波谷的電價政策降低運行費用。5

優(yōu)缺點評價第一，地源熱泵技術(shù)是直接轉(zhuǎn)換成冷、熱風，為房間制冷或供暖，其技術(shù)含量和節(jié)能效率高。

第二，采用 PE 管道埋設的地耦管， 具有高可靠、 壽命長 （70 年以上）、免維修、運行成本低等特點，不受開采地下水的限制， 節(jié)省了水資源使用費。

第三，夏季利用主機排放的余熱加熱生活熱水，無需耗電、耗油；冬季機組既制熱又提供熱水，其熱水費用與太陽能熱水器費用相當。

第四，系統(tǒng)初投資大，成本回收周期長。

第五，地耦管維修困難。5