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工程施工设计论文：地源热泵开发利用需要注意的若干问题【摘 要】地源热泵以其节能环保和高效的优势受到了空调行业的青睐,近年来有了巨大发展。但从大部分实际工程来看,该系统的设计和施工仍存在着众多的问题亟待研究和解决,本文就几个重点问题进行初步的研究,以供参考。 【关键词】地源热泵;设计施工问题1. 地源热泵系统设计 1.1 埋管换热器模型研究。 (1)单个地下埋管换热器的模型。 目前国内外求解地下换热器传热时使用最为广泛的是线热源和柱热源理论。它们是将埋管换热器等价为一个线热源或者圆柱型热源,这种简化对于真正这样的热源才完全正确。由于埋管换热器中两支管传热是不对称的,这两种方式的简化处理虽然可以使问题大为简化,但却无法准确描述埋管换热器的传热情况,无更好的方法研究影响它传热效率的因素。 除了线热源和柱热源理论以外,还有能量平衡原理的数学模型。但对于国内现有的工程来说,普遍是按照线热源模型进行设计或是模拟的,这种方法简单易懂,且适用于工程计算,但是随着行业的发展,埋管换热器的传热模型必将会更加准确和严谨。 (2)地下埋管换热系统(管群)的研究。 现有的埋管传热模型都是针对单个埋管换热器的传热和温度场的研究,基本都能够模拟单个埋管换热器的传热情况。而地源热泵工程中常常有多个甚至有上百个埋管换热器组成埋管换热系统来完成最终的换热,各个埋管换热器之间必然会相互的影响,现有的模型没有给出描述他们之间相互影响的办法。 从以上分析来看,能够完成多个埋管换热器温度场的分析和模拟对实际工程更有意义。目前较多的研究方法有两种。一是叠加方法,在各种单个埋管换热器温度场的研究基础上,对多个埋管换热器的温度场进行温度的叠加。其基本依据是每个埋管换热器所产生的温度场是相对独立的,温度的变化与热流密度成线性关系,包含在换热孔分布范围内的任何位置的温度均可以根据线性问题的叠加原理得到。一种方法是内热源法35,将换热器看成等效的内热源,将换热器直接以热源的形式表示在控制方程中,而不再作为热流条件。对土壤内传热,换热器冬季从土壤中吸热,热源项为负。夏季向土壤中排热,热源项为正。这种方法不考虑换热孔内复杂的情况,简化了对孔内复杂传热情况的研究。将整个埋管换热系统温度场看成是一个整体来求解,避免了烦琐的叠加计算。在一定程度上简化了埋管换热系统温度场的模拟计算。 1.2 地下埋管换热器换热参数的确定。 埋管换热参数可根据以上提供的理论模型进行计算,其结果也能在一定程度上反映地下埋管换热器的换热量。其实,地下埋管换热器的换热量受诸多因素的影响,如土壤温度,土壤性质,是否有地下水等。地下埋管换热器的换热过程是一个复杂的过程,不能单单通过假设和理论进行计算,还要利用测试技术进行换热能力的试验。换热试验通常要求分别进行地下埋管排热和取热工况,对实验数据进行整理,从中得到所需要的排热量和取热量参数。同时还要测试在多个埋管相互影响作用下,地埋管的换热量参数。测试得到地埋管换热量参数可以作为设计参数,再进行地埋管换热系统的相关设计。 1.3 地下埋管换热器的计算。 埋管换热系统的数量要由建筑的负荷和热泵的效率而定,埋管换热系统所承担的换热量夏季是建筑的负荷与热泵耗功的和,冬季是建筑的负荷与热泵耗功的差。埋管换热器的换热量与岩土体的初始温度、岩土体的热物性、埋管换热器的形式、热泵系统的运行模式等有关。现在一般的埋管换热系统的设计只是计算在建筑最大负荷下埋管的长度,这种设计方法在一定程度上能够满足设计要求,但是这种方法存在一定的误差,其实埋管换热器的换热性能还与运行时间等因素有关。因此建议采用模拟的方法进行埋管换热器的设计,通过数十年的模拟计算,真正得到埋管换热系统的数量。 1.4 地下埋管换热器布置方式。 地埋管换热器的布置方式包括埋管方式和各个埋管换热器的联结方式。埋管方式一般包括水平埋管和垂直埋管,主要是由场地大小、土壤类型以及挖掘成本而定。如果挖掘成本较低而且场地足够大,则水平埋管较为经济;通常情况下建筑商用地寸土寸金,所以不会有很大的空地可以用于埋管的布置,这时候就只能用垂直埋管的形式。换热器的联结方式有串联和并联两种,串联系统是将各个换热器头尾依次连起来,管中的流体只能沿着一个通道流动,有时候这样是为了获得加大的温差;并联系统是将所有的换热器并联到一个或者几个干管上,通过干管的分配将流体均匀的分配到每个埋管换热器中,这样单个换热器的损坏不会影响到这个换热系统的使用,系统安全性比较高。以上两种换热系统的布置形式需要根据项目的具体情况而定。 1.5 埋管间距的确定。 埋管换热器在土壤中吸热或放热引起周围土壤温度的变化,如果将单个埋管换热器作为一个热源,那么在径向上,根据传热学原理,随着与热源距离的增大,土壤的温度变化也将越来越不明显,在一定计算精度范围内必然存在一个区分土壤温度是否受扰动的界面,此界面到埋管换热器中心的距离称之为热作用半径。一般在埋管换热系统当中存在许多个埋管换热器,为了提高换热器的换热性能,就要尽量减少他们之间的相互干扰,一般意义上说各个换热器之间距离要大于2倍作用半径,但是在现实的条件下,这个距离有时候很难保证,目前工程上所推荐的距离是46m。由于项目所在地区地质条件各有不同,实际设计埋管间距要根据换热孔测试结果来确定。 1.6 地埋管材质的选择。 用于地下埋管换热器的材料应有良好的导热性能、较高的抗压强度和抗腐蚀性。在地源热泵刚刚兴起的时期,工程上普遍采用铜管,管径在2040 mm左右。铜管的导热性能好,抗压强度高,但价格较高且抗腐蚀性差。随着塑料的兴起和大发展,到70年代后期,一般改用塑料管:聚乙烯管(PE)、聚丁烯管(PB)和聚氯乙烯管(PVC),塑料管的寿命普遍可以达到50年以上。由于塑料管的耐腐蚀性和较低的价格大大延长了系统的使用寿命并降低了系统的初投资。虽然塑料管的导热性能比铜管要差的多,但是对于土壤中埋管换热器的总热阻来说,管道热阻的影响只是很小的一部分,最主要的还是土壤的热阻,管道材料对于整个埋管换热系统的换热特性没有改变性的影响,所以使用塑料管非常适合。目前工程上常用的地下埋管材料为高密度聚乙烯管(HDPE)。2. 水源热泵系统设计 2.1 水量问题。 在地下水地源热泵的众多因素中水量是决定水源热泵系统是否能正常工作的关键因素,需水量的多少由该项目负荷与热泵机组的性能决定,水量必须满足负荷要求。如果水量有少量不足,可利用辅助热源或冷源;如水量却是不能满足负荷的要求,说明水源热泵不适合,应考虑其他方案。因此水源热泵系统设计的第一步是请专业队伍对项目区域内地下水条件进行调查,了解是否有合适的水源可以被水源热泵系统所使用,通过水资源论证,确定利用地下水的利用方案。 2.2 水质问题。 地下水由于长期处于较为封闭地层中且与矿物质接触较多,所以具有一定的腐蚀性。地下水水质会影响水源热泵机组的使用寿命和效率。根据水质的不同可以采用直接式和间接式系统,无论采用以上那种系统,都会对设备有一定的腐蚀,增加系统的不稳定性。采用耐腐蚀材质的换热器,投资成本又会大大增加,所以水质是水地源热泵应用的一个不可忽视的问题。一般工程上对地下水水质的基本要求是:水体基本澄清、水质较稳定、不易腐蚀、无滋生微生物或生物、不生结垢等。 2.3 抽灌井的设计。 开采地下水会造成地下水资源的浪费,因此在采用地下水地源热泵系统时,抽取的地下水在提取能量后必须要回灌,且应保证同层同质回灌,做到尽量不影响原有地下水储量和水质条件。颗粒较细的地层中,回灌有一定的难度,需要采用一井抽水,多井回灌的方式增大回灌量,尽可能将所抽地下水完全回灌到原含水层中。还可以采用抽灌交替使用的方式来增加水井的使用寿命,而在投资上仅仅是增加了一小部分潜水泵的费用,这样即保证了热泵系统长期稳定的运行,又改善了抽灌井的抽水和回灌条件,保护了地下水资源。 3. 安全及环保问题 3.1 防冻液对人的危害。 在地埋管地源热泵系统中,有时通过向埋管循环水中加适量防冻液的方法来提高埋管换热器换热量,但是这种做法容易对周围环境和工人产生不利影响。向埋管换热器环路充注防冻液时,人暴露在防冻液弥漫的环境中。在溶液配置过程中,工人有可能吸入粉末或有毒蒸气,人体的皮肤或眼睛可能受到伤害,利用面罩或工作服等防护措施可以消除这些危险。市场上防冻液的种类很多,在设计之初就要对防冻液的毒性有所了解,一般的讲,防冻液的毒性可以从以下三个方面来评价:(1)通过呼吸进入人体造成的危害;(2)误服对人体造成的危害;(3)长时间的暴露于防冻液的环境中对人体造成的危害。防毒液中甲醇是毒性最大,长时间的处于高浓度的甲醇环境中,会导致头痛、恶心、失明甚至死亡。误服喝下少量也可能导致失明甚至死亡,故,必须配备必要的防护设备。除了甲醇,乙二醇是采用比较普遍的一种防冻液,是一种有甜味无色的液体,误服会有一定的毒性,在灌注时,最好能够有一定的防护措施。 3.2 地面沉降。 在地下埋管地源热泵和地下水地源热泵系统中,都存在着引发地面沉降的可能。地埋管地源热泵中,如果能够做好埋管换热器的回填工作,则引发地面沉降的可能性不大;在地下水地源热泵系统中,对取水量、回灌量和含水层的确定是是否引发地面沉降的主要因素。只开采而不进行回灌是地面沉降的主要原因,通常水源热泵系统需要的地下水量比较大,如果只抽取地下水不进行回灌,含水层中的抽取量大于自然补给量,很快会造成该含水层中水量减少,含水层上下部的压力不均衡,当含水层不足以承担上部压力时,引发地面沉降。另外由于施工或者运行过程造成回灌困难或者不能保证同层回灌也有引发地面沉降的可能。 因此在地源热泵实施先必须彻底的摸清地下含水层情况,确定安全的取水层、取水量和回灌量,尽量避免过量开采和越层开采,防止地面沉降的发生。 3.3 地下水温的改变。 在地下水地源热泵系统中,将升温或降温的水回灌到地下含水层中。夏季回灌的水温度高于周围的环境,会向周围环境释放一定的热量,同时周围的空气或水体的温度也相应的升高,从而改变了周围的生态环境,影响环境中生物的生长。冬季回灌的水温较低,同样会改变周围的温度环境,也会带来相同的影响。 3.4 土壤温度的改变。 地下埋管换热器会向周围的土壤中释放热量或是从周围的土壤中吸收热量,从而导致局部土壤温度改变,通过埋管换热模拟及实际运行的经验发现,地埋管运行长时间后,土壤温度通常都会有一定的升高。土壤温度的升高会造成一下危害:一是地温升高会使增强越冬类昆虫的繁殖能力,使病虫害增加;一是近地表地温升高加快土壤的干燥过程,土壤的干燥会使微生物失去生存的环境,从而引生态危害。因此在地埋管的设计时,要将土壤热平衡考虑其中,尽量采用其他的辅助方式分担建筑的负荷,减小取排热量不平衡造成的土壤温度变化。 4. 政策问题 热泵的发展不仅与国家国民经济总体发展及热泵本身技术进展有关,还与能源的结构与供应、环境治理的需求有关,特别是与政府的政策导向密切相关。我国在新能源利用特别是浅层地温能开发利用技术方面有相关的推动政策和措施。浅层地温能的推广了利用有了政策的支持将更加快速的发展。政策中相关的优惠条款和方式也成了浅层低温能利用的一个很大的优势,浅层地温能利用的投资以为有政策的优惠会有一定的降低,这对浅层地温能开发来说是巨大的推动力。 2006年1月1日起施行 中华人民共和国可再生能源法财政部、建设部联合颁布可再生能源发展专项资金管理暂行办法第七条规定:建筑物供热、采暖和制冷可再生能源开发利用,重点扶持太阳能、地热能等在建筑物中的推广应用。 国家税务总局正在制定中的低能耗/超低能耗建筑所得税税收政策也将规定,凡采用可再生能源,如地热能等的建筑会给予税收方面的优惠。 2006年的3月,在全国“两会”的总理工作报告和国家第十一个五年计划中,“落实科学发展观,建设节约型社会”,这一任务被提升到发展国民经济的基本任务的高度,成为我国的新建设时期的国策之一。 5. 结论 本文主要分析了浅层地温能在利用过程中需要注意的几个问题,技术方面,对于地下埋管换热器的设计要建立正确的计算模型,综合考虑换热器之间的相互影响作用,埋管的管径管材要符合要求,提出了采用试验方法获得埋管换热能力才是最优的选择;对于地下水地源热泵的设计,要考虑水量水温水质方面对系统的影响。环保方面,要重视浅层地温能利用所带来的如地下环境污染,地面沉降,地下热污染等问题。政策方面,充分分析了政策因素对地源热泵推广的作用。 参考文献