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            地源熱泵空調系統在西安地區的應用分析

            時間:2019-05-31

            地源熱泵是一種利用地下淺層低溫地熱資源,既能供熱又能制冷的高效節能環保型空調系統。在我國,建筑能耗目前占到全社會總能耗27%左右,其中建筑物供熱制冷的能耗大概占到整個建筑能耗的60%左右。在提倡節能環保的大形勢下,為地源熱泵空調系統的發展提供了很好的空間。該系統因其高效、環保、節能等優點被世界各國廣泛應用,同時也符合我國能源經濟可持續發展的要求,與我國現階段發展國情相符,在建筑中的應用也越來越廣泛。


            地源熱泵空調系統主要是以地下巖土體作為冷熱載體,因此不同形式的地源熱泵系統在各個地區的適用性主要取決于該地區的地質構造和水文地質狀況。我們下面主要分析了西安地區的地質特點以及不同形式的地源熱泵系統在西安地區的適用性。


            1.西安地區地質狀況與水文地質


            1.1地質狀況


            西安市位于黃河流域中部關中盆地,北臨渭河和黃土高原,南鄰秦嶺。市內地質構造兼跨秦嶺地槽褶皺帶和華北地臺兩大單元,自新世紀堆積了巨厚的新生代地層,除東南部黃土塬區有第三系零星出露外,皆被第四系覆蓋。第三系是一套陸相碎屑巖建造,巖性為砂巖、泥巖、泥質砂巖、砂質泥巖和富含鈣質的粘土巖。第四系為風積黃土和水流堆積(湖積、沖積、洪積)的卵礫石、砂、粘性土等,其中黃土厚達114.9m,水流堆積層厚達400~1000m。


            城區內不同區域工地地質條件如下表所示。

            地源熱泵空調系統在西安地區的應用分析

            由上表可以看出西安市地質條件非常復雜,因此在選擇地源熱泵系統時應因地制宜。


            1.2水文地質


            西安市地處渭河斷陷盆地中段,堆積有非常厚的新生代陸相疏松地層,為地下水的形成和貯存提供了非常良好的條件。市內第四系潛水和承壓水為地下水類型,其特點是分布廣,富水性強。含水層類型為孔隙含水層。沖積砂礫卵石層孔隙潛水,分布于北部沖洪積平原,含水層滲透系數40~60m/d,由于受河水滲漏補給,水量豐富。渭河階地和沖洪積平原是城市建設和地下水開發的主要場地。風積黃土層孔隙—裂隙—孔洞潛水,分布于黃土臺塬,含水層滲透系數1~2m/d,富水性差。


            地下含水層為第四系沖、洪、湖積的砂礫卵石層。潛水水位埋深1.5—2.5米,含水層厚26—50米,降深1.88—4.99米,單井涌水量1.80—9.60升/秒米。第一承壓含水巖組水頭埋深0.4—4.5米,含水層厚度為72—76米。降深11.58米,單井涌水量7.33公升/秒.米。第二承壓水水頭埋深0.5—40米,含水層厚度63—86米,降深12.78米,單井涌水量6.51公升/秒.米。


            潛水水質為重碳酸,硫酸或重碳酸氯化型水,礦化度0.38—1.02克/升。水中含有較多的細粉砂、沙礫和少量的粘土,渾濁度高。承壓水水質為重碳酸,硫酸鈣鈉型水,礦化度0.44—0.532克/升,具有較高的清潔度。


            2.不同類型地源熱泵系統在西安地區的應用分析


            2.1地下水地源熱泵


            地下水地源熱泵空調系統利用地下水溫度穩定、受氣候變化影響小的特點作為其冷熱源,分為閉式和開式。系統運行穩定,但地下水的水質對地源熱泵的使用在性能上和經濟上具有很大的影響,因此很有必要研究地下水的物理、化學性質。


            水文地質條件限制著地下水地源熱泵的使用,西安市潛水為重碳酸,硫酸或重碳酸氯化型水,礦化度和渾濁度高,不宜直接利用。作為冷熱源利用時需另外增加水處理設備,為系統的應用增加了一定的難度。對于深層承壓水,其化學類型為重碳酸,硫酸鈣鈉型水,礦化度低、清潔度高。綜合比較兩種水源,深層承壓水可作為理想的冷熱源。由于水質對于金屬換熱管道具有一定的腐蝕性,因此在管道的設計選型中應考慮防腐問題。雖然西安市地下水含量豐富,但是自80年代初以來,人為過量抽汲深層承壓水導致西安地面沉降超常發展,嚴重影響了城市建設,政府相關部門對地下水源熱泵項目的建設使用具有嚴格的審批流程。在地下水地源熱泵的使用中,最為關鍵的是要有穩定的回灌措施?!兜卦礋岜孟到y工程技術規范》規定:地下水換熱系統必須采取可靠回灌措施,確保地下水全部回灌到同一含水層,并不得對地下水資源造成浪費及污染。在一些實際項目中,有的沒有嚴格采取回灌措施,有的甚至不回灌,這在一定程度上造成了地下水資源的浪費,因此對地下水資源的保護和有效利用是能否廣泛推廣使用地下水源熱泵技術的制約因素。


            2.2地表水地源熱泵


            地表水地源熱泵空調系統利用地球表面水源如河流、湖泊或水池中的低溫位熱能資源作為其冷熱源對建筑物進行溫度調節,也分為開式和閉式。地表水水源包括江水、湖水、海水、水庫水、工業廢水、污水處理廠排出的達到國家排放標準的廢水、熱電廠冷卻水等。


            地表水地源熱泵受環境變化影響較大,熱泵機組運行不穩定、效率低。同時西安市水資源具有數量少,季節分配不均的特點,地表水生態基流不足,導致西安市地表水環境敏感。因此地表水地源熱泵的使用不具有廣泛性,但在污水處理廠周邊進行污水源熱泵的推廣使用則具有很高的可實施性。


            污水源熱泵系統是一種能夠對污水資源合理利用的節能系統形式。城市污水管網中的污水和經過處理的城市污水是一種優良的熱源。城市污水水溫穩定,冬季高于環境溫度,夏季低于環境溫度,污水處理廠出水水量穩定,流量大,穩定的流量可使污水源熱泵機組穩定運行,正常發揮機組的工作性能,有較好節能效果。目前西安市已建成投運5座污水處理廠,設計污水處理能力95萬噸/日,實際每日處理能力50~70萬噸。數量相當可觀,具有很大的應用潛力。


            2.3土壤源地源熱泵


            土壤源地源熱泵空調系統以土壤作為冷熱源,利用其溫度相對穩定的特點,通過地埋管換熱器來利用土壤中的低溫位熱量。土壤的熱物性參數和地埋管換熱器的換熱效率對土壤源地源熱泵的性能起著決定性作用。一般認為土壤的熱物性參數包括比熱容、導熱系數、熱擴散率,《地源熱泵系統工程技術規范》中介紹的土壤熱物性參數為導熱系數和比熱容。文獻研究了土壤的含濕量對土壤熱物性參數的影響情況,即在密度相同的情況下,導熱系數和比熱容隨含濕量的增大而增大,含濕量的變化可以引起熱參數較大的變化。比熱容、導熱系數、熱擴散率可通過以下公式求得:


            Cs=0.96(1-h)+hCw   (1)

            λs=0.79+1.98h     (2)

            a=λs/(Cs.p)       (3)


            式中:Cs為土壤的比熱容,單位為kJ/(kg.K);為土壤的含濕量(黃土的含濕量≤30%),%;Cw為水的比熱容(20℃),4.183kJ/(kg.K);λs為土壤的導熱系數,單位為W/(m.K);為土壤的熱擴散率,m2/s。


            地埋管換熱器換熱效率的研究主要集中在建立換熱過程的簡化傳熱模型。主要包括無限長線熱源模型、無限長柱熱源模型、有限長線熱源模型及一些數值模型,但這些模型由于本身的簡化假設都有著各自的局限性。我們通過建立豎直U形地埋管換熱器鉆孔外變熱流無限長柱熱源傳熱模型,利用分離變量法和格林函數法求解,為地埋管換熱器的設計提供了一種較精確方法。


            3.地源熱泵系統在西安市應用存在的問題


            地源熱泵系統的使用體現在對源的利用上,經勘察分析達到規范使用要求的工程場地,在選擇空調系統或系統建成運行后仍存在一些問題:


            (1)技術原因導致實際運行工況無法達到設計水平,雖然較常規制冷采暖措施環保節能,但未達到理想效果。由于熱泵技術在我國應用時間較短,有些技術不夠深入,同時缺乏相應的市場規范,因此在某些應用環節還存在一些問題,從而降低了系統的節能效果,甚至出現不節能的情況。


            (2)系統初投資較高。雖然地源熱泵系統運行費用低,可以一機多用,但其較常規系統增加了鉆孔、打井、鋪設地埋管換熱器等設備過程,初投資比常規系統高,導致多數用戶不將其作為首選方案。


            (3)地源熱泵企業水平參差不齊,行業不夠規范。熱泵技術在我國的應用時間相對較短,從事地源熱泵相關設備產品制造、工程設計與施工、系統集成與調試維護管理的相關企業,大部分都是從其他行業轉行而來,部分技術研發不夠深入,市場缺乏相應規范。


            地源熱泵這一可再生能源進行應用技術在建筑節能中起著重要作用。水源地源熱泵關鍵技術研究與示范“十一五”國家科技支撐計劃課題的研究成果顯示:水源地源熱泵技術在節能、經濟和環保性上具有巨大優勢。西安地區是典型的黃土地區,其豐富的地熱能儲量為地熱能的開發利用提供了有利條件。地理條件的優勢加上政策的大力支持,使得地源熱泵技術在西安地區有著非常廣闊的應用前景。

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