沉降膜換熱器基礎(chǔ)研究及其復合源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用分析

副題名

外文題名

Fundamental researches of gravity film heat exchanger and its application in hybrid source heat pump system

論文作者

尹涌瀾著

導師

高青指導

學科專業(yè)

學位級別

工學博士

學位授予單位

吉林大學

學位授予時間

2012

關(guān)鍵詞

換熱器 熱泵系統(tǒng) 傳熱 螺旋流動

館藏號

TK172

唯一標識符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.006011170

館藏目錄

2012\TK172\8

【學員問題】地源熱泵系統(tǒng)形式及其優(yōu)缺點？

【解答】地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國還屬初級階段，需要因地制宜、統(tǒng)籌規(guī)劃、使用能量特點和水文地質(zhì)條件相結(jié)合，逐步合理的推進地源熱泵空調(diào)技術(shù)，這樣才能有利于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，在環(huán)保的前提下，提高能源利用效率。以下就為您詳細分析地源熱泵的系統(tǒng)形式及其優(yōu)缺點。

形式：

1、水平式地源熱泵

通過水平埋置于地表面2～4以下的閉合換熱系統(tǒng)，它與土壤進行冷熱交換。此種系統(tǒng)適合于制冷供暖面積較小的建筑物，如別墅和小型單體樓。該系統(tǒng)初投資和施工難度相對較小，但占地面積較大。

2、垂直式地源熱泵

通過垂直鉆孔將閉合換熱系統(tǒng)埋置在50M～400M深的巖土體與土壤進行冷熱交換。此種系統(tǒng)適合于制冷供暖面積較大的建筑物，周圍有一定的空地，如別墅和寫字樓等。該系統(tǒng)初投資較高，施工難度相對較大，但占地面積較小。

3、地表水式地源熱泵

地源熱泵機組通過布置在水底的閉合換熱系統(tǒng)與江河、湖泊、海水等進行冷熱交換。此種系統(tǒng)適合于中小制冷供暖面積，臨近水邊的建筑物。它利用池水或湖水下穩(wěn)定的溫度和顯著的散熱性，不需鉆井挖溝，初投資最小。但需要建筑物周圍有較深、較大的河流或水域。

4、地下水式地源熱泵

地源熱泵機組通過機組內(nèi)閉式循環(huán)系統(tǒng)經(jīng)過換熱器與由水泵抽取的深層地下水進行冷熱交換。地下水排回或通過加壓式泵注入地下水層中。此系統(tǒng)適合建筑面積大，周圍空地面積有限的大型單體建筑和小型建筑群落。

近幾年來，地能開發(fā)取得突破性進展。地球表面水源和土壤是一個巨大的集熱器，收集來自太陽48%的能量，比人類每年利用能量的500倍還多。按換熱載體分區(qū)，地源熱泵空調(diào)主要有四種形式：一是地埋管地源熱泵；二是地下水地源熱泵；三是地表水地源熱泵（包括海水源，江湖河溪水或地表潛水）；四是混合式地源熱泵。

地表向下30～130米左右，一年四季的溫度是相對恒定的，一般在15～20℃左右。地源熱泵正是利用地能這一特性，通過消耗少量的電能，實現(xiàn)由低溫位向高溫位或由高溫位向低溫位的轉(zhuǎn)換，從而充分地利用地能。在冬天把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱或加溫的地方，在夏天可以將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中，達到降溫或制冷的目的。

優(yōu)缺點：

一、地源熱泵空調(diào)的優(yōu)點

從理論和能耗的角度上分析，地源熱泵空調(diào)技術(shù)利用儲存于地表淺層或地下的取之不盡的能源，成為可再生能源的一種形式。地源熱泵空調(diào)之所以節(jié)能，是因為其將土壤、地表水或地下水作為能源，在同等工況下，只需消耗約50%的能源，就可提供同等能量，比溴化鋰技術(shù)節(jié)能最高可達65%；比蒸汽壓縮式節(jié)能最高達40%；供熱工程相當于燃煤鍋爐的2/3.在系統(tǒng)運行時，由于不使用氟利昂、天然氣、汽油等冷媒和燃料，可以大大減少對臭氧層的破壞作用，減少CO，的排放。

二、地源熱泵空調(diào)使用可能帶來的問題

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要包括兩大部分：一是建筑物內(nèi)的水環(huán)路空調(diào)系統(tǒng)；二是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的地下部分，即地下耦合熱泵系統(tǒng)的地下熱交換器、地表水熱泵系統(tǒng)的地表水熱交換器、地下水熱泵系統(tǒng)的水井系統(tǒng)。

（1）地表水熱泵系統(tǒng)：地表水溫度受氣候的影響較大，與空氣源熱泵類似，在利用深層河水、湖水、海水進行吸熱與放熱的地表水水源熱泵系統(tǒng)時，首先必須強調(diào)的是水體要有一定深度，沒有5m深度的河流、湖泊、海域就不必考慮，一般來說，只有10m以下深度才有利用價值。對于屬于地源熱泵的水源熱泵機組，如果是流動的江、河、溪水，水溫合適的情況下，才可以使用。

例如，武漢東湖等淺水性湖泊夏季水溫高于濕球溫度，無利用價值，冬季水溫略高于氣溫，可用作熱源水；寧波奉化江水7m深31.2℃，珠江底層31.8℃，江水熱污染很厲害，利用價值不大。可利用長江水作為地表水熱泵系統(tǒng)的熱源，但冬季江水水位很低，從取水的經(jīng)濟性及防洪角度考慮，實際利用還是極難的。

一定的地表水體能夠承擔的冷熱負荷與其面積、深度和溫度等多種因數(shù)有關(guān)，需要根據(jù)具體情況進行計算。這種熱泵的換熱對水體中生態(tài)環(huán)境有無影響應(yīng)預先加以考慮。深水湖在夏季會產(chǎn)生溫度的分層，湖底保持較低的溫度；冬季湖面結(jié)冰后會限制湖水溫度的下降。從目前的實際工程情況來看，自然形成的淺水性湖泊受外界氣候或熱污染影響較大，因為是不流動的湖水，那就要看向湖水中排放的熱量能不能經(jīng)過湖水的自穩(wěn)定性恢復，如果不能恢復，就不能使用，否則改變湖水溫度，危及湖中生物；即使海邊的建筑可以考慮海水源熱泵，但一定要注意對洋流的影響，注意是否影響海洋生物的生存。

工程所在地與設(shè)置地下水換熱器現(xiàn)場的距離超過500m的工程，必須認真進行全面的技術(shù)經(jīng)濟比較分析。如果忽略其應(yīng)用條件是否具備，在推廣地表水水源熱泵系統(tǒng)的同時，最后可能導致河水、湖水、海水的水泵輸配能耗抵消在水源熱泵上所獲得的節(jié)能效益。

為經(jīng)濟可行地利用江、河、海水冷熱源，只能對江、河、海水作粗效預處理，以解決大量泥沙和懸浮物對流通面的阻塞問題，但水中依然含有小粒徑的固體物，將影響換熱器的流動換熱特性，這樣也增加了運行、保修的費用。

（2）地下水地源熱泵（地表潛水）和地下水地源熱泵這兩種方式，是將含有地溫的水從井中抽取出來，取出熱后，再回灌到其它井中；或不抽取地下水，只采用地埋管的形式。國內(nèi)很多大專院校進行了相關(guān)的埋地管的試驗研究和小型的工程應(yīng)用，并建立了地埋管的傳熱模型。各地的地質(zhì)條件不同，土壤的溫度和熱物性參數(shù)都不一樣，因此，地下水熱泵的應(yīng)用還有待進一步的實驗驗證和實驗數(shù)據(jù)的積累。此外，這一淺層地能的采集技術(shù)涉及到開采利用地下水或地表水，有三個缺點：

1）在抽水并回灌于其它井的同時，會造成井中砂的移動，當大量的井砂移出后，往往會造成抽水井的塌陷，同時也造成了回水井的堵塞，縮短了井的壽命；

2）在多數(shù)地質(zhì)條件下，很多工程實際上并未達到100%回灌。回灌井與生產(chǎn)井的數(shù)量配置和是否需要冬夏對調(diào)輪換，單井回灌是否合理有效，是否會破壞地下含水層等。井水的回灌往往不暢，易造成地下水資源的浪費，雖然抽水后有回灌井將抽出的水回灌，但這并不是一個完全可逆的過程，回灌后土壤中的水質(zhì)和水量并不能與抽水前完全一致，大量地下水的抽取和回灌必然造成地下水位的不平衡，影響當?shù)氐牡刭|(zhì)構(gòu)造，有可能危害地上的建筑物。

3）地源熱泵機組要求全年冷負荷和熱負荷要基本均衡，這樣才不至于發(fā)生地下熱環(huán)境惡化，機組能效比降低甚至無法正常使用。在30～300m深的地下，只要其全年的總?cè)崃颗c總排熱量相等，就能持久地維持恒溫帶的狀態(tài)；如果把恒溫帶地層看作為“取之不盡，可不斷再生的低溫地熱資源”，可由深層的地熱資源或地表太陽能來補充，那就會犯原理性錯誤。

實際上地下土壤、卵石與巖石的傳熱，地下含水層的熱遷移都是十分緩慢的，如果我們不遵守年熱平衡原則，倘若真的每年夏季累計向地下排放的熱量大于冬季累計吸取的熱量，即使該地區(qū)地下恒溫帶每年只升高0.5℃，10年后該地源熱泵系統(tǒng)就不能有效正常工作了。且口使使用地埋管地源熱泵，屬于閉式系統(tǒng)，但垂直埋管系統(tǒng)占地面積小，水系統(tǒng)耗電少，但鉆井費用高；水平埋管安裝費用低，但占地面積大，水系統(tǒng)耗電大。雖然沒有抽取地表水、地下水，但它改變了地內(nèi)溫度，影響地質(zhì)，甚至植物的生長。

目前在我國，技術(shù)上相對成熟、利用可行性較大、實施的工程項目較多的是地下水熱泵系統(tǒng)。為迎合地源熱泵空調(diào)這門新技術(shù)，片面追求其節(jié)能效果，目前國內(nèi)生產(chǎn)水源熱泵機組的廠家也已達到二、三十家。因為國內(nèi)還沒有頒布水源熱泵機組的生產(chǎn)技術(shù)標準，國內(nèi)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量差別較大，有些廠家的產(chǎn)品，技術(shù)參數(shù)不完整、不準確0很多生產(chǎn)廠家沒有實測手段，采用水源熱泵機組所需要的很多數(shù)據(jù)不能提供，甚至不排除某些技術(shù)力量差的廠家根本就沒有弄清楚水源熱泵機組和常規(guī)冷水機組的技術(shù)差異，直接就拿常規(guī)冷水機組來作為水源熱泵機組推銷到市場使用。這樣，既沒發(fā)揮水源熱泵機組的節(jié)能優(yōu)勢，又破壞了環(huán)境。

（3）有的地源熱泵空調(diào)工程在完工使用的初期進行地質(zhì)勘測，得出結(jié)論表明地源熱泵空調(diào)對地質(zhì)沒影響，但這樣的結(jié)論下得似乎過早。不設(shè)監(jiān)測井，不對地下水的生產(chǎn)量、回灌量、水溫、水質(zhì)、含水層厚度變化進行定期、持久的監(jiān)測。打井公司只要能抽出設(shè)計所規(guī)定的水溫、水量的地下水后就算完成任務(wù)。對于地下水熱泵系統(tǒng)，能提供完整水文地質(zhì)資料的極少，絕大部分工程投入運行后，根本沒有對地下水的基本參數(shù)進行定期監(jiān)測，更談不上提供地下水遷移數(shù)據(jù)。

水文地質(zhì)分析和計算結(jié)果可以看出，只取水不進行有效回灌或回灌不慎造成地下水污染的都是極不負責任的行為，并且這種不負責任的行為造成的損失是無法挽回的，例如，天津唐沽地下水過量開采，導致海水滲透進去，對生態(tài)造成嚴重破壞；華北地區(qū)形成4萬平方公里的華北大漏斗；西安由于地下水過量開采，導致大雁塔傾斜近1m，并且形成十三條縱、橫向裂縫，長達50公里，鐘樓下陷135rot/1.

我們不能忽視或有意淡化、掩蓋地源熱泵系統(tǒng)對城市地下水資源造成污染的可能，對周圍建筑與整個城市地層結(jié)構(gòu)起破壞作用的可能，以及工程有可能失敗的風險性。在行政管理上，打井抽取地下水，地礦、國土資源、城市環(huán)保、自來水公司等部門似乎都有權(quán)管轄，全國至今都沒有一個統(tǒng)一的管理條例與組織來管理地下水的使用。少量的地源熱泵空調(diào)在不長的運行時期內(nèi)，可能對地質(zhì)影響不大，但如大量的地源熱泵空調(diào)長期的使用，則后果不難想象，也許人類在竭力減少對地球表面上的破壞的同時，已通過地源熱泵空調(diào)對地下進行破壞，而這種破壞一旦造成，可能更難修復。

（4）從經(jīng)濟和技術(shù)的角度看，建設(shè)地源熱泵系統(tǒng)，其地下部分無論是埋管、打井，還是設(shè)置湖泊、河流、海洋的水下?lián)Q熱器或取水裝置，由于牽扯到為蓄能井選址必須進行土質(zhì)和地下水勘探等一些專業(yè)性很強的作業(yè)，需要有一定的水文地質(zhì)與海洋專業(yè)知識，這對于空調(diào)專業(yè)的技術(shù)人員來說，并不擅長；其地上部分，無論是建筑物的全年冷、熱負荷計算與全年分布規(guī)律，還是室內(nèi)外的水系統(tǒng)設(shè)計，也絕非是水文地質(zhì)、地礦勘探、海洋海港技術(shù)人員的專長。

為了使地源熱泵系統(tǒng)健康發(fā)展，加強空調(diào)行業(yè)和水文地質(zhì)、地礦勘探、海洋海港行業(yè)之間的溝通和合作極為重要。另一方面，為蓄能井選址進行的土質(zhì)和地下水勘探等一些專業(yè)性很強的作業(yè)和大量的地下施工等，使投資規(guī)模加大，這就導致系統(tǒng)的造價和安裝費用高，成本回收周期長，也成為地源熱泵空調(diào)技術(shù)應(yīng)用上的最大的障礙。

結(jié)語：類似“地源水經(jīng)過熱泵機組后，只是交換熱量，水質(zhì)幾乎沒有發(fā)生變化，經(jīng)回灌至地層或重新排入地表水體后，不會造成對原有水源的污染”之類的說法應(yīng)謹慎。如在廣東，廣州、深圳等地的氣候條件是夏季供冷時間很長，且冷負荷比較大，而冬季供熱需求量很少，冷負荷遠大于熱負荷，冷熱負荷很不均衡，如果沒有足夠的供熱需要，來抵消夏季的冷負荷，達到冷熱平衡，是不主張使用地源熱泵機組做冷熱源的。

以上內(nèi)容均根據(jù)學員實際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請及時溝通、指正。