混合土壤热泵在长江流域的应用前景.pdf

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1、第 2 3 卷第 5 期 2 0 0 4年 1 0月 建 筑 热 能 通 风 空 调 Bu i l d i n g En e r g y& En v i r o n me n t Vo I _ 2 3 NO 5 0( t 2 0 0 4 8 5 - 8 7 文章编号 ： 1 0 0 3 0 3 4 4( 2 0 0 4) 0 5 0 8 5 4 混合土壤热泵在长江流域的应用前景 徐玉党 袁秋风 ( , f I 科技大学环境 徉 院 ) 摘要： 混合土壤热泵包括埋地换热器和冷却塔两部分， 埋地换热器用于供热， 而冷却塔和埋地换热器共同制冷。 从理论上来说， 山于冷却塔承担了一部分冷负荷， 从而减

2、少了埋地换热器的数墙， 节省了初投资。 本文首先介绍了 混合土壤热泵的工作原理及其特点， 然后比较了混合土壤热泵与水源热泵的初投资， 并分析了其运行费用， 得出 当系统容量小丁 6 1 6 k W时， 混合土壤热泵在经济上和技术 具有明显优势的结论。在此基础上， 从地理环境 、 气 候条件及技术优势和环保的角度讨论了混合土壤热泵在长江流域及其周围地区的发展优势 ，展望了混合土壤热 泵在该地区的发展前景 。 关键词 ： 混合土壤热泵 水源热泵 长江流域 应用 Appcat i ons of Hybr i d Gr ound- coupl ed Heat Pum p i n Yangt z e R

3、i ver Basi n Xu Y u d a n g a n d Y a n g q i u f e n g ( S c h o o l o f E n v i r o n me n t a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， Hu a z h o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ) Ab s t r a c t ： Hy b r i d g r o u n d c o u p l e d h e a t p u mp s y s t

4、e m i n c l u d e s b o t h a g r o u n d l o o p a n d a c o o l i n g t o we r T h e gro u n d l o o p i s s i z e d t o me e t t h e h e a t i n g l o a d ， a n d a l o n g wi t h t h e t o w e r ， i t i s u s e d t o me e t t h e c o o l i n g h e a t r e j e c t i o n l o a d ， t h e r e b y r

5、e d u c i n g t h e a mo u n t o f gro u n d c o u p l e d h e a t e x c h a n g e r a n d i n t h e o r y t h a t c a n r e d u c e t h e c a p i t a l c o s t o f t h e s y s t e m T h e wo r k i n g p r i n c i p l e a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f h y b r i d gro u n d c o u p l e d h e

6、a t p u mp we r e d i s c u s s e d h e r e W i t h t h e c a p i t a l c o s t c o mp a r i s o n b e t we e n t h e h y b r i d gro u n d c o u p l e d h e a t p u mp a n d g r o u n d wa t e r h e a t p u mp ， a s i n d i c a t e d a t s y s t e m c a p a c i t i e s o f 3 5 0 k w t o 6 1 6 k w a

7、 n d b e l o w t h e h y b r i d g r o u n d c o u p l e d s y s t e m h a s t h e c a p i t a l c o s t a d v a n t a g e o v e r gro u n d wa t e r s y s t e m， a n d t h e a p p l i c a t i o n p r o s p e c t o f t h e h y b r i d gro u n d c o u p l e d s y s t e m i n t h e Ya n g t z e Ri v e

8、 r b a s i n a n d i t s s u r r o u n d i n g we r e d i s c u s s e d t h o r o u g h l y Ke y wo r d ： h y b r i d g r o u n d c o u p l e d h e a t p u mp ， gro u n d wa t e r h e a t p u mp ， Ya n gtz e Ri v e r b a s i n ， a p p l i c a t i o n 0 引言 我国长江流域属于冬冷夏热地区， 全年供冷暖天 数超过 2 0 0 天，大量的能量消耗使人

9、们越来越重视这 一 地区的节能发展， 而且该地区恶劣的气候和建筑热 环境， 也强烈要求有一种节能、 清洁、 环保的冷热源利 ， j 方式来解决这里的供热制冷问题。受地理环境的影 响， 混合土壤热泵和水源热泵在该地区都是比较好的 冷热源利用方式， 同时水源热泵与混合土壤热泵均有 高效 、 环保 ， 节能及寿命长的优点， 因此 目前该地区水 源热泵与混合土壤热泵都有少量的工程实例 ， 但由于 热泵技术在我国应还处于早期阶段， 很多方面还不完 善， 本文主要想探讨一下混合土壤热泵与水源热泵相 比在该地区的发展优势。 1 混合土壤热泵的工作原理及其特点 当建筑物的冷负荷比热负荷大的情况下， 如果运 收

10、稿 日期 ： 2 0 0 4 2 2 8 作者简介： 徐 三 党( 1 9 5 2 一 ) ， ， 副教授 ； 华中科技大学环境工程学院( 4 3 0 0 7 4 ) ； 0 2 7 8 7 5 4 4 4 8 8 ； E m a i l ： c h l z w l l 6 3 c o m 维普资讯 http:/ 建 筑 热 能 通 风 空 调 用单纯的土壤热泵， 由于系统向土壤排放热量和提取 热量的不平衡性， 夏季会引起埋地换热器出口水温的 升高和热泵性能的降低，从而降低了整个系统的效 率 为了解决这一问题 ， 一方 面可 以增 加埋地换热器 的总长度 ，但是这样就增大了土壤热泵的初投资，

11、使 土壤热泵与传统的 调系统相比在经济上没有竞争 力；另一方面叮以增加埋地换热器埋管之间的距离， 但是当前商业建筑占地面积有限， 这种方法显然也是 不科学的。在这种情况下为了降低系统的初投资， 同 时提高土壤热泵系统的性能 ， 可以采用混合土壤热泵 系统。混合热泵系统就是在单纯的土壤热泵系统的基 础上附加热排放源 ( 附加的热排放一般为冷却塔 ) ， 其工作原理与单纯的土壤热泵基本相似。冬季混合土 壤热泵中冷却塔不运行， 其工作原理与单纯的土壤热 泵的工作原理相同，将大地作为热泵机组的低温热 源， 通过埋地盘管获取土壤中热量为室内供热 ； 夏季 热泵与冷却塔共同承担系统的冷负荷 ，一般情况下，

12、 冷却塔的运行主要由埋地换热器的进出口水温来控 制 ， 当进出口水温超过设定的最高值时， 冷却塔就开 始运行， 当埋地换热器的进出口水温降到设定最低的 值时就停止运行，以满足整个系统的冷负荷的要求。 这样整个热泵系统从长期运行的条件来看， 冬季从大 地中取出的热量与夏季排放到大地中的热量基本平 衡， 解决了单纯土壤热泵由于系统的负荷不平衡从而 影响其整体效率的问题。其工作原理图如图 1 所示。 2 混合土壤热泵的经济性分析 2 1混合土壤热泵的初投资分析 由于长江流域的水源比较丰富， 水源热泵在该地 区也有很大的应用前景， 所以在这里主要将混合土壤 热泵的初投资与水源热泵的初投资进行比较， 看

13、看在 该地区什么条件下用那种热泵比较合理。这两种系统 最大的区别在地下环路部分， 这里假定系统建筑内环 路 的初投资相同 ， 主要比较水源热 泵系统地下环路 的 初投资和混合土壤热泵地下环路及冷却塔的初投资。 影响系统地下环路初投资的因素主要有以下几个： 地 下系统的埋深、 系统的容量、 土壤的温度( 或地下水的 温度 ) 等等。 水源热泵地下环路的初投资主要包括抽水井、 回 灌水井 、 埋管及换热器等设备费用及其安装 、 测试费 用。 图 2 说明了水源热泵系统在地下水温为 1 5 5 C i， 不同的水井深度及不同的系统容量时水源热泵系统 的孛 J J 投资。这里的水源热泵系统均采用一抽一

14、回两 口 全封闭 冷却塔 图 1混合土壤热泵 井 ， 从图中可以看出， 水井的深度对系统初投资的影 响比较大，另外系统的容量在 5 0 1 0 0 冷吨的系统 ， 单 位冷量的初投资比系统容量在 3 0 0 5 0 0冷吨的初投 资要高 3 倍左右。这说明水源热泵系统比较适合于容 量大的系统。 混合土壤热热泵的初投资包括埋地换热器及冷 一 营 Q 、 一 恳 系统容量( 冷吨 ) l ! 二2 垒 垒 塑 五回 挂 l 图 2水源热泵的初投资 维普资讯 http:/ 第 2 3卷第 5 期 徐玉党等 ： 混合土壤热泵在长江流域的应用前景 却塔的投资。图 3 说明 昆 合土壤热泵系统在土壤温 度

15、为 l 5 5 q C 时 ，热负荷占冷负荷比例分别为 3 0 、 4 0 、 5 0 和 6 0 的情况下的初投资。 从图3中可以看 出混合土壤热泵的仞投资随着整个系统 中热负荷占 冷负荷比例的减小而降低， 同时， 当整个系统的容量 小于 3 0 0 冷吨时， 初投资随着系统容量的增大而有明 显的降低， 当系统的容量大于3 0 0 冷吨时， 随着系统容 量的增大下降 太明显。 将水源热泵与? 昆 合土壤热泵的初投资进行比较， 如图4 所示 中两条曲线为水源热泵的初投资( 井 深为 2 4 4 m一 抽一 n 两 口井 和井深为 l 8 3 IT I 四 口水 井 ) ， 另外两条曲线为混合土

16、壤热泵的初投资 ( 热负 荷与冷负荷比分别为 5 0 和 6 0 ) 。 从图中可以看出， 系统的容量在 l 0 0冷吨至 l 7 5冷吨( 3 5 0 k w 至 6 1 6 k W ) 时， ? 昆 合土壤热泵的初投资比水源热泵的初投资 要低， 超过了这个范围， 水源热泵的初投资就比混合 土壤热泵的初投资低。这说明在长江流域从初投资来 看 ， 当系统的总 容量小于 l 7 5冷吨 ( 6 1 6 k W ) 时 ， 用混 合土壤热泵比较合适 ，当系统的容量大于 l 7 5冷吨时 用水源热泵比较合适。 系统容基( 冷吨 ) 图 3 混合土壤热泵的初投资 2 2 运行费用分析 从运行费用的角度

17、来看， 混合土壤热泵由于增加 了冷却塔 ，运行费用比单纯的土壤源热泵要高一些。 但是根据有关资料对系统主要设备能耗的研究， 热泵 的能耗 占了整个系统总能耗的 7 7 ，循环水泵占 l 9 ，冷却塔只占了4 。但是夏季由于附加了冷却 塔 ， 可以降低埋地换热器的出口水温 ， 提高热泵的性 能系数， 这样又可以减少整个系统的能耗， 这部分能 一 冒 Q 一 置 5 O J 0 0 J 5 O 2 0 0 2 5 0 30 0 35 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 系统容量 ( 冷吨 ) 一 5 B _ 6 井深 2 4 4 m 1 - 井深 1 8 3 图 4混合土壤热泵与水源热泵初投资

18、的比较 耗足可以补偿冷却塔的能耗。如果埋地换热器的出口 水温降低 5 q C 的话，系统的制冷系数可以提高 9 ， 热 泵的能耗就可以减少 9 ，由于热泵的能耗占整个系 统能耗的 7 7 ， 所以整个系统的能耗就可以减少 7 ， 这足可以补偿由于增加冷却塔而增加的能耗。总之 昆 合土壤热泵虽然比单纯的土壤热泵增加了冷却塔， 但 是其运行费用并不一定比单纯的土壤热泵高。 3 混合土壤热泵在长江流域的发展前景 3 1从气候条件和地理条件来看 我国长江流域按照我国建筑气候划分， 该地区属 于 “ 夏热冬冷” 地区， 其特点是夏季炎热冬季不太冷。 夏季最热月平均温度为 2 5 - 3 0 q C ，年

19、平均温度高于 2 5 q C 的天数为4 0 - 1 0 0 天，多数地方高于 3 5 q C 的酷热 天气长达半个月至一个月。整个冬季平均温度为 1 0 ( 3 左右， 最冷月平均温度大多数在 2 - 5 q C 之间， 因此该地 区冷热负荷不平衡，冷负荷一般比热负荷要大。目前 该地区多采用非供暖的空调系统， 但是随着生活水平 的提高 ，冬季供暖将是该地区空调系统的发展趋势 ， 这对冷暖两供的混合土壤热泵来说是一个机遇。 土壤热泵所处的位置是在地壳中的浅层地表土 壤中， 因此土壤的类型 、 热特性 、 密度及湿度对土壤热 泵的性能影响较大， 而其中热传导系数是影响传热的 一 个关键因素， 根

20、据华中科技大学袁旭东等人研究土 壤含湿量与热传导系数之间的关系【2 】 ， 用实验的方法 得到如下公式 ： A = 0 7 8 5 + 1 9 8 8 h ( 1 ) ( 下转 9 6页 ) 维普资讯 http:/ 建 筑 热 能 通 风 空 调 定能量 的浪费， 而且此方法的效果也不太理想 ， 虽然可 以使过道靠近地板的地面空气温度上升 l c c 2 q C ， 并在 竖直方向上的温度梯度也有所下降， 但在靠近冷藏柜周 围的区域， 空气温度几乎不变， 仍在 l 3 q C 左右 ， 因此需 要提出更好的有效的且尽可能节能的解决方法 。 参考文献 1 S V P a t a n k a R

21、： 郭宽 良译 传热与流体的数值i t 算 M 合肥： 安徽科学技术t t l 版 ， l 9 8 4 2 赵彬 ， 李允庭， 彦 森 置换通风的数值模拟 J 1 应用力学学报 ， 2 0 0 2 ， l 9 ( 4 ) ： 7 5 7 9 3 D a v i d S t r i b l i n g ， S a v v a s A T a s s o u ， D o u g l a s s Ma r r i o t t A t w o d i me n s i o n a l C F D mo d e l o f a r e f r i g e r a t e d d i s p la y c

22、 a s e f J A S H R AE T r a n s ， l 9 9 7 ， l 0 3 ( 1 ) ： 8 8 9 4 4 A S H R A E A S H R AE S t a n d a r d 6 2 2 0 0 l ， V e n t i l a t i o n f o r a c c e p t a b l e i n d o o r a i r q u a l i t y S A l t a n t a ：A me ri c a n S o c i e t y o f H e a t i n g ， Re f r i g e r a t i n g a n d Ai

23、卜Co n di t i o n i n g En gi n e e r s ， 2 0 0 l 5 Ma t t h i e u O r p h e l i n ， D o m i n i q u e Ma r c h i o ， S h a n t a L D A l a n z o Ar c t h e r e o p t i mu m t e mp e r a t u r e a n d h u mi d i t y s e t p o i n t s for s u p e r m a r k e t s J 1 AS H R AE T r a n s ， I 9 9 9 ， l 0

24、 5 ( 1 ) ： 4 9 7 5 0 6 6 S a v v a s A T a s s o u ，We i z h o n g X i a n g I n t e r a c t i o n s b e t we e n t h e e n vi r on me n t a n d o p e n r e f rig e r a t e d d i s p l a y c a b i n e t s i n r e t a i l f o od s t o r e s d e s i g n a p p r o a c h e s t o r e d u c e s h o p p e

25、r d i s c o m f o r t J 1 l AS HR AE T r a n s ， 2 0 0 3 ，l 0 8 ( 1 ) ： 2 9 9 3 0 3 生生 坐 出生 出生生业业 妇 业 ( 上接 8 7页 ) 式 中： A 为土壤热传导系数， W m S ； h 为土壤含湿 量 ， 。 式( 1 ) 充分考虑了土壤含湿量的影响， 而且文中指 出， 不同土壤样品之间， 公式系数没有什么明显差别， 从公式中可以看出土壤中的含湿量是影响其热传导 系数的一个关键因素。而长江流域的土壤 比较潮湿， 因此其热传导系数相对来说比较大， 有利于土壤热泵 的发展。另一方面长江流域大部分地区的浅

26、层土是软 土 ， 施工方便且 施工 费用 比较低 ， 故在该地 区应 用混 合土壤热泵有着经济上的优势。 3 _ 2 从技术和环保的角度来看 混合土壤热泵属于高效 、 节能 、 环保 、 可再生的新 能 源。污染物 的排放 与空气热泵相 比 ，相 当于减少 4 0 以上， 与电供暖相比， 相当于减少了 7 0 以上 】 。 同 时混合土壤热泵还解决了空气源热泵供暖时受冬季 室外空气温度的限制 ， 在最冷月往往无法满足建筑物 内舒适空调要求的问题， 以及冬季除霜问题。与水源 热泵相 比 ， 它不受地下水 源的限制 ， 同时也不会 污染 地下水源，也不存在水源热泵所引起的地表下沉现 象。不过混合土

27、壤热泵与水源热泵相比， 由于水的传 热系数比土壤的大 ， 因此其系统的性能系数没有水源 热泵高。同时由于有冷却塔 ， 系统的维修费用比单纯 的土壤热泵高 ， 而且噪音也比它大。但是与传统的空 调系统相比， 无论是在环保还是技术上它都有发展的 优势 4 结论 从建筑负荷来看， 长江流域的负荷分布不平衡， 制 冷负荷比供暖负荷大， 这一特点正好与混合土壤热泵 的设计特点相符合 ； 从土壤结构来看， 长江流域浅层 土是软土， 便于施工 ， 土壤含水量高， 有利于埋地换热 器的传热 ， 这些条件也有利于土壤热泵的发展 ； 从初 投资来看 ，混合土壤热泵当系统的容量在 1 7 5 冷吨 ( 6 1 6

28、k W) 以下， 其初投资比水源热泵要低 ； 同时混合 土壤热泵又是高效 、 节能的可再生能源， 所以在长江 流域当系统容量比较小 ， 低于 1 7 5 冷吨时， 运用混合土 壤热泵可以说是一种比较合理的冷热源利用方式。 参考文献 1 G r a y P h e t t e p l a c e ，Wi l l i a m S u l l i v a n P e r f o rma n c e o f a h y b ri d g r o u n d c o u p l e d h e a t p u mp s y s t e m J 1 _A S H R A E T r a n s a c t

29、 i o n s ， l 9 9 8 ， ( 1 ) ： 7 6 3 7 7 0 2 Xu d o n g Y u a n E s t i m a t i n g s o i l c o n d u c t i v i t y b y m e a r s u r i n g s o i l h u mi d i ty C C h i n a E n g i n e e ri n g T h e rma l P h y s i c s C o n g r e s s ， l 9 9 0：l 7 8 一 l 8 0 3 陈季芬 地源热泵空调系统在冬冷夏热地 区的应用 c 见： 全 国暖通空调制冷

30、2 0 0 2 年学术年会沦文集， 2 0 0 2 ： 4 5 7 4 6 0 4 K e v i n R a ff e r t y A c a p i t a l c o s t c o mp a ri s o n o f c o m me r c i a l gro u n d sou r c e h e a t p u mp s y s t e rms J 1 l A S H R A E T r a n s a c t i o n s ， l 9 9 5 ， ( 2 ) ： l 0 9 5 一 I l 0 0 5 杨卫波， 董华 土壤源热泵的研究与开发 J 1 能源技术 2 0 0 3 2 4 ( 6 ) ： 2 4l 一 2 4 4 维普资讯 http:/