[科普中国]-地耦管

简介

随着人们生活水平的提高以及居住面积的扩大,冬季锅炉供暖所造成的大气污染、夏季空调制冷的高能耗问题越来越突出。寻求新的低能耗无污染的供暖制冷空调技术意义重大。地源热泵高效节能、无污染,既可供暖又可制冷,提高浅层地热品位再利用,是二十一世纪的节能环保新技术。1

目前,我国开发应用的地源热泵多为地下水源热泵,由水泵抽取地下水通过热泵换热器与制冷剂进行热交换一吸热和排热过程,完成供暖和制冷功能,经过热交换的地下水再排人或加压泵人地下水层中。这种系统结构简单,初投资也较节省,为在建筑物周围没有空地的情况下提供了一种解决方案。但它受当地水文环境地质政策的限制;机组性能受地下水文地质条件的变化影响较大;尚有地下水对管路系统和换热器的腐蚀问题,使用寿命较短。地藕管热泵能克服地下水源热泵的上述缺点,无任何污染,它以导热好、抗腐蚀、强度高、且可绕曲的地埋聚乙烯管自成封闭系统,制冷剂与土壤之间热交换通过聚乙烯管内中介流体进行。它不受地下水源的限制。地藕管热泵在国内尚不多见。1

地藕管地源热泵系统设计地藕管地源热泵样机为加拿大MariitenGeothermal公司生产的R一65型空气一水地源热泵,额定功率为5Ton(1Ton=3.516kw·h),安装在中国矿业大学(徐州本部),对一个建筑面积为201m2轻钢结构建筑进行供暖和制冷。1

地藕管换热器的设计是地藕管热泵系统设计中的关键问题。国内外学者对地祸管换热器设计的理论研究较多,提出了许多传热和管长计算模型。但地祸管换热器的换热特性与土壤特性密切相关。而确定土壤热特性是一项十分困难的事,因影响其热特性的因素众多,其中某些参数(如湿度)又存在不确定性。1

地源热泵技术在北美已非常成熟,针对地源热泵机组、地藕管换热器以及系统设计和安装有一整套标准、规范、计算方法和施工工艺。1

地藕管换热器设计参数垂直钻孔深度本样机地祸管选用垂直布置。垂直钻孔深度参考北美家用地源热泵安装指南2中的推荐值,如表1。

徐州地区的地质条件为:地表有一层约10m厚粘土,其下为密实的砂岩。按密实岩层计算垂直钻孔深度为205(=41x5)m,实际总钻孔深度取为220(=44X5)m。1

地藕管回路地藕管按每Ton一根垂直U形管并联布置。从理论上来说,垂直钻孔间的间隔越大,孔间传热相互影响越小。但由于受场地限制,不可能取得过大,参考北美的指南,取为5m。垂直埋管采用3/4’’聚乙烯管,水平连管采用114/“聚乙烯管。地藕管回路如图1。1

循环水泵地藕管回路中注入浓度为15%的甲醇水溶液作为防冻液。甲醇水溶液通过循环水泵循环流动,使制冷剂与岩层之间换热。为了提高甲醇水溶液与地祸管间的对流换热能力,应使液流呈紊流流动。本样机循环水泵的流量为3.3m3小,通过34/“聚乙烯管的流速为0.65ms/,其雷诺数为

（1-1）

式中:u一流速,ms/;d一管径,m;v一水的运动粘性系数,取。=1.006X10-6m2/s。可见,Re>104,流动为紊流。1

地藕管地源热泵的性能试验地源热泵的性能试验采用室外水侧量热计法。1

试验装置如图2所示。

用室外水侧量热计法按下式计算制冷量3:

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

用下式计算制冷性能系数

COPtco=Qtco/Et (3)

用室外水侧量热计法按下式计算供暖量3:

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

用下式计算供暖性能系数

COPtho=Qtho/Et (5)

式中Qtco—制冷量,W; Ww—水流量,kgs/; Cpw水的比热容, Cpw=4.1868X103J/(kg·℃); tw1—进入室外侧热交换器的水温,℃; tw2—离开室外侧热交换器的水温,℃; Et—输人热泵的总功率,w; Qtho供暖量，W。

地藕管热泵性能试验R一65型地源热泵制冷和供暖性能试验数据示例如表2、表3所示4。

数据分析在近三个月的制冷运行期间,地藕管热泵每天运行sh左右,热泵启动时地下循环水的起始温度维持在18.5一20.5℃,说明热泵经循环水排放到地下的热量与地祸管管壁周围岩土沿半径方向向外传热能形成动态平衡,从而确保热泵长期稳定运行。图3为不同日期制冷循环水的起始温度情况。1

图4为制冷性能系数COPtco。与循环水进水温度的关系。由图可见，循环水进水温度越低，制冷性能系数越高，近似为线性关系。当循环水进水温度为20℃时,COPtco高达4.0以上;当循环水进水温度升至31℃时,CoPtco尚可达到3.1。与此相比,夏天当地大气温度高达38℃以上,普通空气源空调的COPtco仅为2.5一2.8。故地藕管热泵的制冷节能效果是明显的。1

供热初始几天,循环水起始温度有所下降,但下降幅度不大;进入长期运行后,逐渐趋于稳定状态,温度值在巧一16℃之间波动。说明白天热泵通过循环水从岩土中吸取的热量夜间已从地藕管远处得到传递而恢复,并达到动态平衡,从而确保热泵供暖运行的长期稳定性。图5为不同日期供暖循环水的起始温度。1

图6为供暖性能系数COPtco与循环水进水温度的关系。由图6可见，循环水进水温度越高，供暖性能系数也越高，近似为一种线性分布关系。当循环水进水温度为16. 8℃时，COPtco高达4.44，循环水进水温度即使降至11.4℃时，COPtco也可以达到3.71。故地藕管热泵的供暖节能效果也是明显的。1

地源热泵系统的具体应用当今社会，环境污染和能源危机已成为威胁人类生存的头等大事，节能与环保应是我国优先解决的课题，而地源热泵技术运用到建筑物采暖空调中是理想的节能环保型空调技术。5

施工要点保证地耦管孔的深度，地耦管的长度符合设计要求是施工中的重点。打孔过程中不可避免出现孔深不达标， 废孔的情况，这会导致地耦管长度不够，出水温度偏高/低（夏/冬季），机组耗电量增大。 此外灌浆也是需要关注的重点。灌浆材料为膨润土和原浆的混合体，灌浆采用加压回灌方式，保证密实，孔内无空腔。5

能量消耗对比从两种系统名义功率分别比较年运行费用，即传统水冷冷水机组+锅炉和地源热泵模式。由表 1 可知地源热泵相比传统空调在运行费用方面的有着巨大优势，主要体现在两个方面： 一是地源热泵的COP 值高 ，其中制冷时 COP 值高可达到5.6，制热时 COP 值高可达到 5.2；二是可以夜间制造生活热水，利用波峰波谷的电价政策降低运行费用。5

优缺点评价第一，地源热泵技术是直接转换成冷、热风，为房间制冷或供暖，其技术含量和节能效率高。

第二，采用 PE 管道埋设的地耦管， 具有高可靠、 寿命长 （70 年以上）、免维修、运行成本低等特点，不受开采地下水的限制， 节省了水资源使用费。

第三，夏季利用主机排放的余热加热生活热水，无需耗电、耗油；冬季机组既制热又提供热水，其热水费用与太阳能热水器费用相当。

第四，系统初投资大，成本回收周期长。

第五，地耦管维修困难。5