螺旋型管地源热泵

第一步:打井

第二步:盘管

第三步:下桩

第四步:成型

第五步:回填

螺旋埋管地源热泵系统是创新发明的一种空调节能系统,它取消锅炉供热、冷却塔供冷的常规形式,且有很好的节能效果,最主要的特点就是运行没有能量衰减的问题,供热、供冷的能力可保持不变,是我国未来发展的空调节能系统。在北方取地下热量较多的地区、需用太阳能热水系统为地下温度场补充热量维持地下热平衡;在南方夏季排热加大的地区,用卫生热水系统用热以平衡地下温度场。在东北地区做地源热泵系统必须附加一套太阳能热水系统,用全年的太阳能作为地下热平衡的补偿设施,太阳能热水系统造价不会高,具体需要计算确定。


系统优点:

1.造价合理:埋管部分的增量造价因钻井深度只有10m-30m,所以钻井成本大大降低(钻井价格各个地区不同),室内系统与传统系统一样。

2.地下埋管系统换热稳定,可以按需求设计埋管系统的温差,可以充分利用太阳能热水的热量。

3.节省运行费用(相对与传统的空调系统节能50%)。

4.在施工有保证质量的条件下,埋管的使用寿命可达50年以上。

5.不受气候条件影响,在有埋管条件的地方均可实施,埋深一般在10m-30m之间,节约土地资源(建筑物底部(新建建筑)、室外停车场、绿化地带、道路等)。

6.埋管部分无需日常维护。

7.系统能实现智能化运行。

8.如果需要、能提供全年的卫生热水供应。

9.节能环保、是低碳运行的基础设施。

10.螺旋埋管地源热泵系统不需要冷却塔和锅炉做系统备用。

11.利用建筑结构桩加换热桩的造价应该有很好的性价比,造价最低。

目前,由贵州启利源工程技术人员研发的螺旋埋管地源热泵技术,已建立了相应的热工计算模型及设计计算软件。通过在多项工程中的应用和实践,其施工工艺不断完善,施工安全和质量得到有效提高和保证,系统热工性能良好,节能、节约投资的效果显著。是地源热泵技术转型和创新的一种新型的系统形式。该项技术属国内外首创。

螺旋埋管从2008 年开始已经运用于建筑空调系统。该系统可以解决建筑空调需要的能源问题,工程造价比较低,在钻孔成本较低的情况下,螺旋埋管地源热泵系统的造价已经可以和多联机(一线品牌)持平,在价格上已经具有很好的竞争实力,建筑面积在2万平米以上的地源热泵系统(岩石上钻孔)工程越大造价呈向小趋势发展,地区不一样时有所差异,工程增量投资回收年限一般在数年内完成。


U型管与水平埋管的常见问题:

按照埋管形式,国内目前已有 U 型埋管和水平埋管地源热泵系统,其基本技术是建立在欧洲技术体系下的地源热泵系统。U 型管埋管技术,最早是通过交流学者引进欧洲的地源热泵技术体系,由于是技术引进、最终展现在应用正面上的内容只是一些应用软件,其技术体系的核心内容不得而知,加上盲目崇拜、我国这方面的技术从开始就陷入知其然不知其所以然的地步,跟随的发布的技术规范也如法炮制,缺少自主知识核心内容。随着实施规模的增大 U 型管地源热泵系统、也凸显一些致命的弱点

(1)它必须有很大的埋管深度要求,一般在80m~150m之间,浪费地下空间,也可能对城市地下基础设施建设和使用造成不利影响。

(2)供回水管的距离太近,在直径150mm的圆孔内敷设供回水管,回水逆向换热的长度随着使用时间的加长而延长,随着使用时间的增加,换热效率逐步降低,热干扰变得严重以至效率低,系统温差无法给以保障,系统需要辅助冷热源。

(3)钻孔及埋管隐蔽施工,质量检测与保证的难度较大。

(4)由于缺乏有效的换热模型支撑,只有用加大埋管间距(最小为3m×3m的管间距)来保证换热效果,故占地面积较大。

(5)水平管道的水力平衡不易完成。

(6)在以岩石为承载力的地区,工程建设造价高。因此,U型管或水平埋管的地源热泵技术受技术、造价、施工质量、地质和地理条件等得限制,其推广应用,尤其是在大型建筑中的应用有一定的局限性。

与U型管系统比较,水平埋管系统有稳定的换热量,有均匀的温度场,热干扰较小,造价较低,系统基本成熟。但水平埋管由于需要较大的场地,占地面积大,大面积规模实施也有一定难度。


与U型管、水平埋管比较,基础桩螺旋埋管具有以下显著优点:


(1)可根据使用要求和地形地质条件设计换热场的供回水温差,且在空调使用期间的温差趋于固定常数,地下换热场具有稳定的换热量。

(2)利用结构基础桩施工进行管道布设, 螺旋埋管所占用的地下空间较小,施工工艺简便易行、工程质量可监可控。

(3)由于桩基深度一般在10-30m范围内,降低了工程造价,比U型管系统的造价降低50%以上。

(4)螺旋埋管用于混凝土预应力管桩和做成换热管桩、可以进行工厂化制作和机械化施工,有利于保证施工质量和施工安全,提高施工速度。

(5)螺旋埋管适用范围广,在任何地质构造区域均可实施。预制管桩可解决以冲积地质地貌为特征地区的地源热泵应用的技术问题。


施工方法:

将聚乙烯(PE)管螺旋盘旋于混凝土预应力管桩的钢筋骨架内,随其一起离心成型,按照混凝土预应力桩生产工艺加工成形,形成混凝土预应力“能量桩”即换热桩,借助于建筑物的结构承载力体系,形成地下温度场换热场。桩体之间通过干管管道连接送至空调主机房内,与地源侧分水器、集水器以及地源侧循环泵、用户(空调)侧循环泵与热泵主机连接、结合,形成完整的空调热泵系统,用水(或液体混合物)为载体把地下温度场可利用的温差能量,通过热泵主机转换成用于建筑物供暖、空调和供热的能量,满足建筑物冷、热负荷的需求,可实现“三联供”(供热、供冷、供热水)。施工主要工序包括:管桩盘管、成型、固定,压力试验,保压浇筑,水平干管连接、形成环路,与设备连接等。

地源热泵顾名思义就是利用地下岩土以温度形式存在的能量、通过热泵机组转换成空调系统的冷热源。在气候学的相关实测资料中,地面至地下100米以内的地质构造的平均温度,与当地的年平均温度相当,于是把这种浅表层所具有的能量形式、作为一个无限大的能源场使用、就变得顺理成章。这种广义的理解造就了现在流行的U型埋管地源热泵系统。

早期工作把地下作为一个无限大的能源场作为换热对象、概念上好像没有问题,工程实践后加上对地质的热物理性能了解,认识到这种做法会有很多问题。用传热学的知识和根据地质的热物理性能来看分析地源热泵的地下换热系统,是能很好解决问题的方法,以季节年为周期的换热对象岩土构造、具备了储热能力可随换热体积加大而增大的条件,且换热场的边界与周边岩土的换热比较慢,具有一定的储热能力,所以螺旋埋管的换热就建立储热场换热的基础上。


表1,部分土壤和岩石的热物理特性

                     

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从储热场来考虑问题,①换热体积的尺度控制。②换热场的储热能力计算。③采用什么形式的布管方式。 ④地下换热系统怎样组成。⑤地下热平衡问题。

由于土壤和岩石的导热系数都不是优良传热导体,并且换热场的边界尺度都很大,在实际工程中的温度反应现象、这种换热方式实际上就是一个储热体的换热模式,这种换热的特点就是导热体两侧的温度都是实时变化,所以选择合理的换热形式就显得至关重要了。

现有的地下埋管换热形式;垂直U型埋管,水平U型埋管,迂回埋管,水平直管埋管,圆环平铺埋管,螺旋埋管,还有一些没有任何作用的埋管形式如“W”型埋管。这些形式的埋管换热性能一直是业内困惑的问题,在众说纷纭的氛围中、只好用热响应实验作为设计依据。其中迂回埋管,水平埋管,圆环平铺埋管,都是水平埋管的常用形式。

只要是用圆管为传热载体系统、其热传导一定也满足圆筒壁的传热模型。基本传热公式:

                         

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在设计地下换热场时、对换热方式选择:①容易施工。②换热量可控。③材料要经久耐用和经济。④不易损坏。⑤换热材料的热工性能和岩土的热工性能相当。

按照现有的建筑基础形式和施工方式,螺旋埋管可以充分利用现有的施工、管理方式,首先它可以充分利用建筑结构桩作为换热体,同时也可以按照需求用现有的施工方式进行施工,既可人工挖孔桩埋管、也可以用机械化施工成孔埋管。在冲积平原地区还可利用工厂化生产的管桩,在工厂把螺旋管设置在管桩里。螺旋埋管可结合结构桩埋管、能达到一桩两用的目的,为节省工程造价创造条件。

螺旋埋管系统能节约土地资源,利用建筑物的占地面积以下的土地空间做成换热储能场,为建筑提供所需的空调和采暖能量,及作为生活热水能源储存地。同时可以在绿化带,停车场,花园和道路以下的空间设置换热储能场。

从工程便于施工的角度、螺旋埋管是比较容易实施的埋管方式,其埋管深度在10m~30m之间,经济钻孔最小孔径为300mm,最大可利用建筑结构桩。

地下换热储热场的传热过程和常规的传热过程有一个最大的不同点,即应该按传热→储能→传热的过程来分析和计算,在对应单位时间传热量在储热场中有一个滞后时间,所以换热储热场内的Ti是一个滞后时间平均温度。

从传热学的角度分析问题,地下换热就是一个导热现象为主的热交换,对于管道内的对流换热来说、其在整个换热量中的比重很小、可以忽略不计,对于圆形管换热就是一个二维导热模式,螺旋埋管无疑是最好的换热方式,螺旋埋管是在垂直方向埋管的最好、也是最经济的换热模型,其计算公式为:

                    

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在管内流速和管道周边材料为均值时,螺旋管在沿单位长度方向有一个线性温度微小变化,单根螺旋管的进出口温差就是这些微小温差之和。

                      

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螺旋埋管形成的圆柱换热体,其换热模型还是圆形导热方式,在热传导上没有本质的变化,只是温度场变化成一个圆宝塔形,在圆柱体长度方向的温度差就是换热系统的进出口温差,既换热储能场系统温差∆T。

                      

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(3)式表明了换热温度无论是微小变化、还是系统性变化,都是换热储能场的平均导热系数的单值函数。也就是说在有温度差存在的条件下、平均导热系数决定了换热储能场的换热能力。同理:当换热储能场一旦确定深度和岩土类别时,系统的换热温差就是换热管长的单值函数。其中λi又是材料中含水率的函数。

换热储热场的夏季空调季节热量收集量,是夏季空调时间段建筑的总得热量:

                      

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换热储热场的冬季采暖或空调季节吸热量,是冬季建筑所需的供热的总热量:

                     

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在逐时逐月的负荷计算中,空调季节会有一个最大小时负荷值QLmax,采暖季节会有一个最大小时负荷值Qrmax,也可以用现在规范中的空调负荷计算值和采暖负荷计算值作为计算换热桩数的依据。        

                       

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螺旋管组成的换热柱在传热中仍然是圆管换热模型的规律,只是在设计圆形换热体时需要遵循表面换热强度与周边介质的热物理特性相适于的原则,其传热量最好等于和小于周边介质的热物理特性能。同时要保证换热储热场的温度均匀性。

                      

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换热柱的换热能力qh是初学者比较注重的问题,但是换热体的换热强度过高和换热管间距过小、都会造成系统的换热温度急剧升高,直接效果就是发生热泵主机停机保护。地质条件不同就会有不同的管道温差。换热柱布置的均匀度会直接影响换热储热场的温度场均匀度,管内流速过高会造成严重的水力失调、从而破坏温度场的均匀性,造成系统换热温差变化、影响系统能量供应。

换热储热场的边界与大地之间的换热:

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换热储热场的边界上的传热才是大家熟知的传热模式,(8)式也是大家再熟悉不过的公式,但其中两个温度Ti和Td是代表换热储热场内外每小时的温度变化值。在实际工程中都是一个进似的平均值。Td在过渡季节是一个反向传热的过程,对恢复温度场有明显的作用。由于有温度差的存在、换热储热场和周边大地同时存在不间断的换热现象。所以地源热泵地下换热场只要有足够长的停摆时间,对于恢复原始温度场是具备了“一个无限大的物体能量”对其的恢复能力。

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当(9)式左边项大于或等于右边项时,地源热泵系统有很好的稳定性,可以让主机在高效率区间工作。反之系统可能经常发生停机保护问题,也就是系统的不稳定。

比较(1)和(9)式有:


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通过(10)式调整变量V的尺度、控制Tt冬季不能低于5℃,夏季不能高于30℃,就能保证螺旋埋管地源热泵系统在高效区间运行,只有满足这些要求、才能体现地源热泵的优越性。

热平衡问题:


            

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当(11)式的值为正值、且满足该条件时,则表明换热储热场的热量堆积较多、温度偏高,应该利用热回收系统,做全年的生活热水供应,以减少温度场的堆积热量。当(11)式的值为负值、且满足该条件时,则表明换热储热场的取热量较多、温度偏低,应该增加一套太阳能热水系统,全年利用太阳能对地下温度场补充热量。

          一个稳定的换热储热场的管道水力平衡至关重要,水力平衡应该采用动态计算模式,才能有效地保证换热储热场的温度场到达均匀的效果。



现在的大部分建筑均以重型构造为主,需要重型基础作为支撑体系并占据一定的地面面积,现在的技术装备水平已经完全可以充分利用建筑物基础以下的地下温度场,作为储存冷热量的块体,利用地下温度传导比较慢和岩石或土壤热容量大的特点,将其变成一个冷(热)量储存体,通过工程设计的技术手段,将塑料换热管均布在建筑基础的周围并用砼浇筑加以保护,达到作成地下换热器的目的。由于换热管是设置在基础垫层的外围、不会影响基础垫层的受力机理,也就不会影响结构的受力体系,因而是安全的设计方案。

地下换热器是利用建筑基础桩中埋设的换热盘圆管作单元换热体,用水平干管将若干个单元换热体的盘园管连接成一个系统,用循环水作为温度差的载体,与热泵主机进行热交换,从而达到使用低品位能源的目的。

低品位能源几乎无处不在;空气,水体,土壤和岩石都具有一定的温度,只要和使用温度形成一定的差值、并且可以利用的能源形式,就是低品位能源。

我国大部地区的冻土层(没有冻土层的地区,在 1 米左右。)以下的温度场是一个低品位能源储蓄体,采用何种技术方案将其合理利用是应关注的问题,但有一点可以肯定,目前的地下水和 U 型管式的水源热泵系统已经初步成熟,但更经济和合理的建筑基础桩基埋管系统开始进入人们关注的视线,怎样将其推广和普及是建筑设备节能工作的重心。

空气的热容和导热系数与水体,土壤或岩石相比相差几个数量级,因此空气源热泵在效率和经济上远不如地源热泵优秀和可靠。地源热泵系统的地下换热器(与桩基结合制作)一旦完成,其使用寿命可长达上百年,也就是说“上部建筑重建,也可以使用已有的地下换热器”。(即便在地震后上部结构垮塌重建,地下的桩基只要内部管道不断裂仍然可以继续使用。)

地源热泵的好处就是可以最大程度地减少化石能源的消耗。在没有使用热泵机组以前、通常:夏季为了使室内温度适宜人体需要,使用制冷机将室内多余的热量(太阳辐射负荷,灯光、电器负荷及人体散热量)搬运出室内,散放在大气中,简称为“制冷排热过程”;冬季为了维持适宜居住和工作的室内温度,通过燃烧化石燃料和少部分可再生的植物燃料以获取热量维持室温,简称为“燃烧取热过程”,但这些热量还是最终还是散放在大气中,最终和其他因数构成了“气候变暖”的作用推手。采用地埋管式热泵系统可以将夏季的得热储存于地下土壤或岩石中,冬季通过热泵系统将这部分热量取出来使用,这样就可以达到少消耗或者不消耗化石燃料的目的。

至于各地区由于地理和气候原因造成存储于地下的冷热量不平衡问题,则可以通过技术手段加以解决,存储热量多、取得少的地区,(我国南方夏热冬暖地区)可以用热泵机制取卫生热水方式供应热水,以减少地下温度场的温度升高,这同样可以减少卫生热水消耗化石燃料的用量;存储热量少、取热量得多的地区,(我国北方夏热冬冷和寒冷地区)则可以通过太阳能热水系统的热量加以补充,以维持地貌的原始温度,采用建筑基础桩埋管的地源热泵系统,可以通过设计将冬夏季供热和供冷问题及卫生热水使用综合考虑,形成完整的能源合理利用循环。

地埋管式地源热泵和太阳能热水器及太阳能光伏发电组合可以成为零能耗的节能组合,同理、地埋管式地源热泵和太阳能热水器及风力发电组合也可以组合成零能耗的供热制冷体系。地埋管式地源热泵系统是将目前不要的冷热量存储于地下,并根据需要随时将想要用的冷(或者热)量,取出来使用。

应该大力推广建筑桩基础埋塑料换热管的形式(挖孔桩和独立柱基均可),这样做的目的是最大限度的降低工程造价、节省初投资、且做好的换热器有水泥的保护具有更好的使用寿命和换热性能,且施工质量可控、施工工法可以规范化、也就是说这种地下换热器的整体质量可以通过施工管理得以保证。

水平埋管方式在利用场平回填土时也有很好的经济性。在山地较多的地区应该注重水平埋管的地源热泵系统,建设初期的场平工程如能将埋管问题一起做完是最省工和省造价的,也就是说地源热泵最经济的形式“就是和建筑基础施工或者在场地平整时一起完成”,在此时所耗费的投资最小,系统经济性最好,就可以把地下换热器做好。

我国在地质条件较差的地区多采用独立柱基的基础形式,独立柱基一般有较大的垫层受力面,周边垂直面是设置换热管的好地方。只要设计得当,施工加以质量进程控制,这种地下换热器是工程质量可控、可检、可调整,因而施工质量容易达到设计要求,其换热性能在设计阶段就可以通过设计计算确定,以保证达到使用的目的。

挖孔桩也是我国较多地区采用的的建筑结构基础形式之一,具有局部下沉式施工的特点,可根据地质条件变化随时调整基础施工深度,简单易操作,在劳动力较便宜的地方被大量采用。

利用挖孔桩做地源热泵系统也有较好的经济性和可操作性。在设计时将结构所需直径做调整,直径放大 100mm 用作敷设塑料换热管道即可满足要求,系统的热量平衡和所需埋管的数量有一定的数量关系,因而在桩孔数一定时,其桩基深度要求和埋管数量要做一些平衡调整。

在地质构造为冲积成型的地区,建筑基础桩多采用摩擦桩的形式,而摩擦桩一般都在工厂加工成型,这对作基础换热桩是有利条件,只要制造工序、技术措施正确也可做成很好的地源热泵换热桩。

从理论上讲,只要结构基础桩的设计深度满足换热需求的深度,完全利用结构基础桩是可能的,但实际设计中,基础桩施工由于地质原因、往往需要做一些调整,使得地下换热量的数量不满足设计要求,因此就需要一些单纯换热的换热桩体作为补充。换热桩和挖孔桩的形式大致一样,只是其设计直径要大一些,中间没有结构钢筋笼,一般换热桩的直径控制在 1.5m-2m 之间,深度根据储热总量的要求确定。

现在每年有大量的建筑需求,因而新建建筑数量每年都在增长,这同样会带来以后使用能源的要求,这就是我们面临能源刚性增长需求的问题。我们应该学会加快合理的使用能源方法,为减少资源消耗,保护地球的生态环境,为发展合理的经济循环体系,改变建设观念,更新设计方法,加快建筑结构基础埋管的建设工作。


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随着国家再生能源法的实施,利用可再生能源替代常规能源成为一种趋势。大力发展可再生能源是落实国家提出的“建设节约型社会,发展循环经济”方针的主要手段之一,也是节能减排的重要手段。地源热泵技术是利用可再生的浅层地质温度场、通过热泵机组实现对建筑物的供暖与空调,并能提供生活热水。主要应用于公共建筑、住宅、学校、医院等建筑物。但是现有的地源热泵技术受造价、施工质量、地理条件和交叉施工的限制,对推广应用有一定的局限性。近几年国内有部分学者提出的建筑桩埋管的地源热泵技术,并在实践中获得成功,但是对我国地域辽阔,地质构造类型较多,因而需要解决以冲积地质地貌为特征地区建筑结构桩埋管的问题,混凝土预应力能量桩具有施工工艺成熟、机械化程度高、可以大面积施工、经济实惠、性价比高、能用现有的施工质量保证体系监督等特点,因此是未来空调系统能源使用转型的新型系统形式。

把聚乙烯(PE)管螺旋盘旋于混凝土预应力管桩的钢筋骨架内随其一起离心成型,按照凝土预应力桩的生产工艺,加工成混凝土预应力能量桩;用同样的生产方式、减少混凝土预应力结构配筋数量,按照施工强度配筋加换热盘管制作成换热桩,以满足建筑物冷、热负荷的需求。

建筑的施工现场将桩体按照结构体系要求和建筑负荷需求,将能量桩按照结构专业技术要求,用成熟的施工方法和机械、压入地下吃力层的深度,换热桩按照专业技术要求同时施工,形成建筑物的结构承载力体系和地下温度场换热场,桩体之间通过干管管道连接送至空调主机房内,与地源侧分水器、集水器以及地源侧循环泵、用户(空调)侧循环泵与热泵主机连接、结合形成完整的空调热泵系统。用水(或液体混合物)为载体把地下温度场可利用的温差能量,通过热泵主机转换成用于建筑物供暖、空调和供热的能量。

混凝土预应力能量桩、换热桩可以进行工业化制作,用生产线每道工序流水化操作、质量稳定、检测方便,产量高,在降低地源热泵系统造价的同时,提高热泵系统质量的稳定性。为减少化石燃料的消耗提供了有效方法,混凝土预应力桩内埋管的地源热泵技术体系。将作为未来以冲积地质地貌为特征地区的主要空调采暖系统形式。


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寻求舒适的居住环境、是人类社会文明发展的重要指标之一,从取火的技能被人类掌握之后,用火取暖一直伴随着人类的认知进化和文明的发展,进入19世纪后制冷空调由于工业技术的发展得以实现,人类逐渐开始进入以消耗地球资源的文明时代,在第一次能源危机发生时,人们开始注意建筑能耗对自然资源消耗问题,开始建筑节能的工作,随着世界的经济增长,建筑能耗已经在各个层面上引起人们的重视,近几年研究和数据证明建筑的采暖空调对环境的影响作用不可小视。

人类在用火取暖的初期,用的燃料都是生物质燃料,对环境没有影响或者说其影响是在地球环境和大气系统的承载能力之内。

进入工业化时期开始使用化石燃料作为建筑的取暖的主要热源,就开始对环境产生不利的的影响。年复一年地将地下化石燃料取出、让其转化成热能和电能,化石燃料所产生能量最终以温度的形式储存在大气环境中,改变着大气环流的形态和结果,同时也影响着陆地生态的平衡,以此同时也消耗地球的自然资源。进入工业化时代后,从传统的采暖需求增加了制冷的需求,制冷机的出现为人类的室内舒适环境提供了较好的选择,但同时也带来了能源的需求增加。空调制冷机的制冷原理实际上就是一种能量搬家,通过制冷循环的作用、夏季把室内的热量移出通过水的蒸发把热量排到大气环境中,在某种程度讲这和冬季燃烧化石燃料的作用过程同出一则、它是用电能的形式消耗能量,只是夏季所消耗的化石燃料量要小很多,但夏季用冷却塔排热、也需要消耗一定量的水资源。随着人类的生活质量要求的提高和科技的发展,大规模消耗地球资源的的活动日益加剧。

近几年风冷热泵系统发展势头很快,这和我国的经济发展要求有关,不注重实效、节约和长远需求、只图眼前利益,使其这种系统在我国发展很快,风冷热泵系统的缺点并不在此一一列举,只讲它的结果和环境的关系。空气源热泵是利用制冷工质与空气温度的温差进行制冷或制热,由于是一机两用、机组是小型化的配置、安装比较方便、比较受急需应急场所和不注重节能的使用者所青睐,由于是利用空气温度制冷和制热,所以在极端天气:夏季空气温度超过35℃、冬季空气温度低于5℃时,其制冷和制热的能力大为下降,难以满足较差气候条件下的使用要求。气温在10℃~28℃之间空气源热泵有很好的制热和制冷效率,但是此时不需要开启空调系统,所以说空气源热泵的实际利用的有效使用时间很短,加上是利用空气强制流动换热,换热效率比较差、致使空气源热泵的整机效率较低,冬季在湿度较高地区制热效果更是让人失望。空气源热泵系统夏季把室内发热量、太阳辐射热、和本机消耗的能量通过空气换热器排放在大气系统里,提高周围大气的温度、夏天形成城市热岛效应、冬季在机器周围形成冷气滞留、其制热的效率极低,冬夏季都带来环境噪音的增加。

纵观采暖空调专业的发展史,其机型有冷水机组(活塞机、螺杆机、离心机、涡旋机)、冷热水机组、直燃机、燃煤锅炉、燃气锅炉等,用这些机型组成的空调采暖系统都是热量搬家,其代表的系统有冷水机组加锅炉系统、风冷机组、地表水水源热泵系统、直燃机系统、空气源热泵系统,这些系统的共同特点就是;夏季把室内多余的得热量,搬到大气中释放、起到的作用是在提高室外的空气温度,让大气容纳系统搬出的热量,增加了大气中熵的总量,直观上就是提高了大气温度。冬季采用化石燃料保持室内温度在舒适的范围内,最终这些化石燃料转化成热量后释然在大气中,增加大气温度的升高值。

风冷空调系统在制冷时同样是温度搬家、其不同点就是采用室外空气直接带走热量;冬季由于不消耗化石燃料看似对保护地球资源有所好处,但是由于制热效果不好、需要用电加热来补充制热量的不足部分所以也在消耗一定的资源。

这就是传统空调采暖在维系建筑舒适度的同时也在提高局部环境的大气温度,改变着大气环流的流向特性和强度,年复一年、集小成大逐年地改变着地球的自然环境温度、影响生态环境。

近十几年由于建筑设备材料的改进和提升,地源热泵系统由于它的节能效果明显,逐渐进入工程实用阶段,最早的地源热泵系统开始是使用地下水做载体、由于施工比较方便,有一定的效果,节能比较明显,在有条件的地方很快得到了应用。但是由于地下水源热泵系统是利用地下水的的循环作为制热和制冷的能源,实际上地下水在地下循环是循环水体和接触的岩土进行热交换,(或者循环水体在地下有一定体积的水库做能源库)水体流经的岩土温度变化就是提取能量的来源。由于地下水流经的通路有不确定性,多数地下水源热泵系统工程或多或少都出现能源不足的情况,更有甚者循环水量逐年减少、直至枯竭。

从传热学的角度看问题地下水源热泵系统,地下水循环在理想情况下就是由天然形成的水流通道提供一个循环通道,通道周围的岩土就是能源场,如果流经的岩土表面积(换热面积)足够大,岩土本身的导热系数比较好,这个能源场在冷热平衡差值不大的情况下就可以长期使用。它实际就是一个天然的地源热泵循环系统、只是它的水系是无序的、且不可控。有另一种情况,就是地下水有一个地下水源库体作为能源库,这种系统也可使用、但也要注意平衡问题。如果不是一个水系的循环系统,终究会发生循环水量减少和枯竭的问题。以上这些系统在我国北方已有很多案例。由于地下水具有很大的不确定性,和地质条件的天然限制,地下水源热泵系统不会成为地源热泵的发展主流系统。

埋管式地源热泵是为解决地下换热问题开拓的新型换热系统,地下换热系统应该具备传热学所要求的基本特征:

①换热量是可控的常数。

②换热系统温差稳定。

③载体循环水量稳定且可调。

一个好的地下换热系统除了必须具备传热学所要求的基本特征外,同时还应满足工程设计系统最小温差的要求,可控制在4℃~6℃范围内,有特殊要求也可以做到8℃温差(用于超高层建筑的换热系统)。水系统的循环压力损失应该控制在10~15mH2O以内,以达到实际意义上的节能要求。

传统意义上的空调系统是将热量搬家、它的能源消耗组成形式如下。


冷水机组加锅炉的空调系统、它年消耗的能源总量为:


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  地源热泵的空调系统、它年消耗的能源总量为:


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⑴、⑶、⑸式同样一栋建筑它的夏季耗冷量和冬季耗热量是同一数值,不同的是夏季主机的耗电量和冬季主机或锅炉的耗电量及供热量有差异性,但是其中的辅机耗电量有大致相同,(采用锅炉采暖系统的循环泵耗电量要小一些)、即Q1、Q2、Q3的值是不同的,最大的区别是主机的运行能耗差异。



从运行电耗排序从大到小:

                                                                                                                         

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从环境问题来分析空调系统对大气环流和温度的影响,⑵、⑷、⑹式的结果表明,其对环境的影响就是节能效果的优差程度,节能好的系统对大气环境的影响就小,节能效果差的系统对环境的影响就比较大,从⑹式就可以看出,地源热泵系统在节能方面的优势、和对环境改善所做的贡献,地源热泵的运行只消耗搬运能量的电能、且主机的能效比较高,所以系统凸显节能的优势。

同时⑹式也表明、如果地源热泵系统的运行能源是用可再生能源、如水电、光伏电、风电等,则地源热泵系统则可组成可再生能源的最小能耗系统,这种系统也可以称为《运行“零消耗”资源的系统》。

从长远的发展需求和维持地球大气系统的热平衡,地源热泵无疑是值得投资的节能系统,它可以利用可再生能源、在维持人居住环境舒适度的同时、而不破坏大环境的热平衡,虽然初投资大于其他两个系统,但是由于运行费用较低、通过2-3年的运行就可以收回多投入的资金。风冷热泵在破坏大环境热平衡中扮演着重要的角色,还应该看到风冷热泵系统诸多弊端,同样传统的冷水机组加锅炉的空调系统,在破坏大环境的热平衡中起到了很重要的作用。