中國地源熱泵技術(shù)應用及進展

孫友宏,仲崇梅,王慶華

(1.吉林大學建設(shè)工程學院,吉林長春 130026;2.教育部地熱資源開發(fā)工程研究中心,吉林長春130026;3.長春工程學院,吉林長春 130026）

中國地源熱泵技術(shù)應用及進展

孫友宏1,2,仲崇梅1,3,王慶華1,2

(1.吉林大學建設(shè)工程學院,吉林長春 130026;2.教育部地熱資源開發(fā)工程研究中心,吉林長春130026;3.長春工程學院,吉林長春 130026）

地源熱泵技術(shù)在中國應用時間不長,但推廣應用速度非常快,幾乎以每年20%以上的速度增長,尤其在上海世博場館中大面積推廣,取得了很好的節(jié)能效果。隨著該技術(shù)的推廣應用和深入研究,我國已掌握了地源熱泵的全套技術(shù),并在淺層地熱能勘查評價規(guī)范、鉆孔熱反應測試技術(shù)、高效地下熱交換井以及太陽能與地源熱泵技術(shù)的聯(lián)合應用等方面都取得了一些新進展,這些成果的取得將為實現(xiàn)我國2050年的節(jié)能減排目標提供技術(shù)保障。

地源熱泵;熱物性;換熱井;回填材料;太陽能

0 引言

淺層地熱能(shallow geother mal energy）是指地表以下一定深度范圍內(nèi)(一般為恒溫帶至200 m埋深）,溫度低于25℃,在當前技術(shù)經(jīng)濟條件下具備開發(fā)利用價值的地球內(nèi)部的熱能資源。該能源具有分布范圍廣、儲量巨大、開采成本低等優(yōu)點。目前,開采淺層地熱能最有效的方法是地源熱泵技術(shù),該技術(shù)主要利用地下地層溫度變化較小和蓄能的特點,夏天通過熱泵機組向地下存儲熱量,同時提取冷能;冬天向地下提取熱能,同時存儲冷能,從而對室內(nèi)進行夏天制冷和冬天供暖。該技術(shù)是一種先進的開發(fā)利用淺層地熱資源的新技術(shù),具有節(jié)能、環(huán)保、高效等優(yōu)點,科學家將其列為21世紀最有應用前景的50項新技術(shù)之一。地源熱泵技術(shù)自上世紀90年代初在我國開始示范應用以來,應用時間并不長,但推廣速度非?？?幾乎以20%以上的速度推廣,根據(jù)推廣使用中出現(xiàn)的問題,不斷進行研發(fā)、總結(jié)和改進,取得了一些新的技術(shù)進展。

1 中國地源熱泵技術(shù)應用

目前,我國每年使用地源熱泵系統(tǒng)的項目已超過2000個,建筑面積近8000萬m2。其中,北京市的地源熱泵項目已達700多個,建筑面積達1800萬m2;河北省達到920萬m2;遼寧省沈陽市達到3400萬m2[1]。另外,山東、天津、甘肅、江蘇、內(nèi)蒙古、吉林、江西等省(市、區(qū)）采用地源熱泵為城市建筑供暖和制冷的面積迅速增加。資料顯示,2005年我國地源熱泵應用面積為3000萬m2,2007年應用面積達到7000萬m2,而地源熱泵系統(tǒng)在城市示范工程中的單體規(guī)模已達80萬m2。2008年,我國熱泵行業(yè)的年銷售額超過50億元,并連續(xù)多年實現(xiàn)20%以上的持續(xù)增長,僅2008年我國使用該技術(shù),實現(xiàn)二氧化碳減排1987萬噸[2]。如圖1所示,預計到2020年,全國利用地源熱泵供暖和制冷面積將達到2億m2,到2030年預計為4億m2,到2050年將達到10億m2。

圖1 中國地源熱泵技術(shù)應用面積增長趨勢

2010年上海世博場館和2008年的北京奧運會場館為我國地源熱泵技術(shù)應用最成功的典型。2010年上海世博會主題是“城市,讓生活更美好”,為體現(xiàn)世博會節(jié)能環(huán)保的理念,在世博能源規(guī)劃中,夏季供冷系統(tǒng)優(yōu)化集成了江水源熱泵、水(冰）蓄冷技術(shù)和地源熱泵技術(shù),冬季供熱則集成了江水源熱泵和天然氣鍋爐的技術(shù)組合。世博場館采用熱泵技術(shù)的總建筑面積達86.8萬m2,其中,世博軸采用了江水源熱泵與地源熱泵技術(shù),建筑面積為24.8萬m2;世博中心采用了江水源熱泵與冰/水蓄冷技術(shù),建筑面積為14萬m2;世博演藝中心采用了江水源熱泵與冰蓄冷技術(shù),建筑面積為8萬m2;浦西新能源中心采用了江水源熱泵技術(shù),建筑面積為40萬m2。

“世博軸”位于黃浦江邊,地下地上各2層,占地面積13.6萬m2,總建筑面積24.8萬m2,是世博園區(qū)最大的單體項目和世博園區(qū)的標志性建筑之一,也是世博會的入園主通道與核心區(qū)域。該建筑的空調(diào)系統(tǒng)由同濟大學和南京豐盛新能源科技股份有限公司作為技術(shù)支持和承建單位,采用了江水源熱泵結(jié)合土壤源熱泵的復合系統(tǒng),實現(xiàn)空調(diào)冷熱源100%采用可再生能源。該空調(diào)系統(tǒng)中江水源熱泵承擔2/3負荷,土壤源熱泵承擔1/3負荷。江水源熱泵系統(tǒng)采用3臺1000冷噸的單冷離心機組,土壤源熱泵系統(tǒng)采用了5臺350冷噸螺桿機組,總裝機容量4750冷噸。經(jīng)過測算,每年可節(jié)約運行費用約530萬元,節(jié)能率約40%,可節(jié)電約660萬kWh,相當于節(jié)約煤炭2640 t,節(jié)水26400 t,減少5440 t二氧化碳的排放量。土壤源熱泵根據(jù)項目所在地的巖土熱物性實驗結(jié)果,因地制宜的利用了6000根建筑樁基布置土壤換熱器形成能源樁,這一技術(shù)創(chuàng)新性的將建筑樁基與空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合起來,節(jié)省了投資和土地,達到了運行高效節(jié)能[3]。

2 淺層地熱能調(diào)查評價

淺層地熱能的調(diào)查評價是地源熱泵技術(shù)應用的基礎(chǔ),為規(guī)范淺層地熱能的勘查與評價,2009年7月29日,國土資源部發(fā)布了《淺層地熱能勘查評價規(guī)范》[4],并于7月31日開始實施。作為行業(yè)規(guī)范,這一舉措有效促進了淺層地熱能的開發(fā)利用。該規(guī)范規(guī)定了淺層地熱能勘查評價的目的任務、基本工作內(nèi)容、勘查工程控制程度、勘查質(zhì)量要求、淺層地熱能資源計算與評價、淺層地熱流體質(zhì)量評價、淺層地熱能利用的環(huán)境評價和經(jīng)濟評價,以及勘查資料整理和報告編寫等基本要求。該規(guī)范適用于區(qū)域和地源熱泵工程淺層地熱能的勘查、資源評價、報告驗收以及資源/儲量登記統(tǒng)計,可以作為區(qū)域淺層地熱能調(diào)查設(shè)計書編制、工作布置、資源評價、報告編寫和審批的依據(jù),同時也作為地源熱泵工程的淺層地熱能勘查、資源評價和開發(fā)利用的依據(jù)。

3 鉆孔熱反應測試技術(shù)

鉆孔熱反應測試技術(shù),也成為地層熱物性現(xiàn)場原位測試技術(shù),該技術(shù)對于正確合理經(jīng)濟地設(shè)計地源熱泵系統(tǒng)是一種行之有效的方法,對于較大的地源熱泵系統(tǒng)工程,顯得尤為必要。地層熱物性主要包括地層導熱系數(shù)和鉆孔熱阻,是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的2個主要參數(shù)。對于地層熱物性的確定,IG2 SHP(國際地源熱泵協(xié)會）推薦2種方法,一種是對于水平埋管熱泵系統(tǒng),根據(jù)現(xiàn)場鉆孔取出的巖樣在實驗室直接測定,或查有關(guān)手冊確定導熱系數(shù);另一種是對于大型的垂直埋管熱泵系統(tǒng),需進行現(xiàn)場地層熱物性原位測試,即鉆孔熱反應現(xiàn)場測試。

3.1 測試原理

該技術(shù)測試原理如圖2所示,首先,在將要埋設(shè)地下?lián)Q熱器的現(xiàn)場施工測試井,井深與實際工程井深相同,井中埋設(shè)熱交換管并按設(shè)計要求進行回填;然后,進行井內(nèi)原始溫度測量,通過測量埋管內(nèi)回流到測試儀內(nèi)的初始水溫來確定;最后,啟動測試儀所配備的熱泵機組,利用數(shù)據(jù)采集模塊連續(xù)測定地下埋管換熱器的進出水溫度T1和T2,根據(jù)測得的溫度數(shù)據(jù),利用傳熱模型反推鉆孔周圍巖土的平均熱物性參數(shù)。由于實驗室取的巖樣的水份、溫度和壓力等測試環(huán)境與地下發(fā)生較大的變化,故測得的數(shù)據(jù)與實際數(shù)值相差較大。采用現(xiàn)場原位測試,可以直接得到較準的鉆孔的地層平均導熱系數(shù)和鉆孔的熱阻[5]。

3.2 測試儀器

圖2 地層熱物性原位測量方法示意圖

國內(nèi)一些研究單位和大學也對地層熱物性原位測試進行了大量的研究,如北京華清公司、山東建工學院地源熱泵研究所、北京工業(yè)大學和中國地質(zhì)大學都研制了測試土壤熱物性參數(shù)的設(shè)備。2007年,吉林大學在國土資源部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助的基礎(chǔ)上,研制成功了BTR-600型地層熱物性測試儀。該測試儀外形如圖3所示,經(jīng)北京、河北、天津和吉林等十多項工程應用,取得了很好的效果。

圖3 BTR-600型鉆孔熱反應測試儀

該測試儀主要是由水泵、熱泵、電動三通分流閥、冷凝器、加熱器、補水水箱、溫度傳感器、壓力傳感器、電磁流量計等構(gòu)成。其主要技術(shù)指標如下:

(1）溫度:采用鉑電阻溫度傳感器,量程為-20℃～60℃,輸出4～20 mA電流信號,精度為A級。

(2）壓力:采用壓力變送器,量程為0～0.6 MPa,輸出4～20 mA電流信號,誤差≤±0.2%。

(3）流量:采用電磁流量計,量程為0～3.5 m3/ h,輸出4～20 mA電流信號,誤差≤±0.2%。

該測試儀具有以下特點:

(1）為車載式的測試設(shè)備,可以方便地運達到不同測試現(xiàn)場。

(2）有3種工作狀態(tài),可以自由切換各狀態(tài)以適應不同工況:狀態(tài)Ⅰ為只使用電加熱器;狀態(tài)Ⅱ為熱泵與電加熱器聯(lián)合工作;狀態(tài)Ⅲ為熱泵與電動三通調(diào)節(jié)閥聯(lián)合工作。

(3）不僅可以進行儲熱工況下的測試,也可以進行取熱工況下的測試。

(4）在使用熱泵時,采用電加熱器或電動三通調(diào)節(jié)閥進行輔助調(diào)節(jié),保證輸入或提取的熱量恒定,以便更好的直接利用線源模型和柱源模型來分析計算土壤的熱物性參數(shù)。

4 高效地下熱交換井技術(shù)

影響地下?lián)Q熱井高效換熱的主要因素是地下?lián)Q熱器的類型和回填材料的性能。90年代以來,國際上地源熱泵技術(shù)的研究重點和熱點主要集中在地下?lián)Q熱井技術(shù)方面,包括地下?lián)Q熱器的換熱機理、強化換熱及熱泵系統(tǒng)與埋地換熱器匹配等方面。

4.1 地下?lián)Q熱器的類型

如圖4所示,地下?lián)Q熱器形式分為單U型、雙U型、1+2型和套管型4種[6]。U型地下?lián)Q熱器是目前常用的換熱器,包括單U和雙U型。U型管管徑一般在50 mm以內(nèi),鉆孔深度一般20～200 m,換熱指標一般在20～50 W/m(孔深）。雖然雙U型換熱器比單U型換熱器每冷噸需要更多的管道,但是,因少鉆井而節(jié)省的費用完全可以補償管道數(shù)量加倍導致的費用增加[7]。由于U型管自身進出管之間溫度場相互影響,存在較嚴重的熱短路,對換熱效果影響較大。為此,2004年,吉林大學研發(fā)了同軸套管換熱器,如圖5所示,主要由外管、夾層套管和內(nèi)管組成。同軸套管式換熱器外管可采用無縫鋼管、聚丁烯或聚乙烯管,外管直徑可達200 mm;內(nèi)管采用聚丁烯或聚乙烯管;在內(nèi)管和夾層套管間充空氣,可防止熱短路。其工作原理是:換熱器的循環(huán)工作介質(zhì)從外管和夾層套管之間注入,冬季供暖時,低于地層溫度的工作介質(zhì),在向下流動的同時,通過外管與地層間進行熱交換,使得工作介質(zhì)不斷升溫,到達孔底后從內(nèi)管回到地面熱泵中進行放熱;制冷時,高于地層溫度的工作介質(zhì)在地下循環(huán)時進行降溫,再從內(nèi)管回到地面熱泵中。在相同條件下,同軸換熱裝置的熱提取效率要好于U型管裝置,但造價高。其優(yōu)點主要是增大換熱面積,可減少鉆孔數(shù)和埋深。

圖4 地下?lián)Q熱器形式示意圖

圖5 同軸式套管換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

同軸套管外管也可全部采用HDPE管進行加工,通過內(nèi)襯電阻絲加熱法熔接HDPE管,將管箍與管材形成一體,由于增加了過渡處的厚度,接頭處的強度反而增大,從而保證了套管的強度。施工時采用邊下管邊熔接的方法,具體施工方案如下:首先將內(nèi)管與管箍熱熔聯(lián)接,管箍間隔2 m,然后將夾層套管與管箍聯(lián)接,等熔接處冷卻后,將已聯(lián)接好的內(nèi)管送入夾層套管內(nèi)。為了保證內(nèi)管與夾層套管間形成空氣夾層,必須將兩端部進行密封處理。經(jīng)試壓后,方可下管。由于外管較粗,不易彎曲,本實驗首先采用熔接法密封孔底外管端部,邊下管邊熔接。通過100 m深的同軸套管換熱器實踐證明,該方法簡便易行,可以在工程中推廣使用。

4.2 高導熱的回填材料

回填材料是換熱器和周圍地層之間的熱交換介質(zhì),優(yōu)化灌注材料的導熱性能可以提高熱泵系統(tǒng)的COP、減少初期安裝成本。細粒狀的膨潤土-水混合物普遍的用作直埋式換熱器的回填材料。然而這種材料的導熱系數(shù)相對較低,一般在0.65～0.90 W/m·K。另外,膨潤土回填材料還會收縮,失水也比較嚴重。這種回填材料在地層比較干燥的條件下不穩(wěn)定,以及由于隨著失水而引起導熱性能下降而對換熱器性能帶來負面影響。

2005年,為了提高回填材料的導熱性能,我們采用2種途徑:一是在回填材料中選擇具有高導熱系數(shù)的骨料;二是采用高效減水劑減少回填材料中的水分。試驗中采用通過控制回填材料的W/C比、骨料物質(zhì)等手段得出相應的試驗結(jié)果。為了得出一些理論數(shù)據(jù),并基于以上原則,我們采用的試驗方案如下:

(1）純水泥混合物。通過控制水灰比得到相應的結(jié)論。選擇的水灰比為0.4、0.6、0.8。得到含水量對傳熱性能的影響。

(2）膨潤土+水泥+水(MixI）。關(guān)于這種配方可以通過水∶(膨潤土+水泥）,即W/C來分析其對導熱性能的影響。

(3）膨潤土+水泥+粉煤灰(MixII）。粉煤灰的化學組成類似于粘土的化學成分,主要包括S iO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和未燃盡炭。在水泥中摻入粉煤灰,可以降低水泥的用水量,這是粉煤灰的一個明顯的優(yōu)越性。粉煤灰中的光滑顆粒均勻的分散在水泥微顆粒之間,能有效地減少吸水性和內(nèi)摩擦;由于粉煤灰密度較小,加入后使混合物的膠凝含量增加,漿骨比隨之增大,因而流動性好,有利于泵送,提高了其和易性。實驗從MixI中選取一種導熱性能良好的配方,加入不同的粉煤灰測其導熱性能。

(4）膨潤土+水泥+硅砂(MixIII）。硅砂中S iO2的含量高,可以達到98%,而硅砂的導熱率很高,比一般的水泥、膨潤土都高,所以想通過提高骨料的導熱性來提高混合物的傳熱性能。

通過試驗研究,經(jīng)過分析得出,在膨潤土中加入砂子或水泥都能提高回填泥漿材料的導熱系數(shù),隨含砂量的增加,其導熱系數(shù)也增加,但考慮含砂量過大后,增加泵的注漿難度,故其含砂量控制在10%～30%之間,以此作為回填材料的最佳配方[8]。實驗證明,熱交換性能良好的物質(zhì)或混合物質(zhì)作為填充材料,可以提高熱泵系統(tǒng)的熱利用效率,減少埋管長度,降低安裝成本,節(jié)約能源。

5 地源熱泵與太陽能聯(lián)合技術(shù)

地源熱泵系統(tǒng)依靠地埋管換熱器從地層中提取能量,熱泵機組的熱源都是一定擴散半徑范圍內(nèi)的土壤。由于地埋管換熱器冬夏兩季累計向土壤的放熱量與取熱量并不一定相等,這樣就會造成地下土壤的冷熱失衡,取放熱量不平衡逐年堆積就會超過土壤自身恢復能力,造成其溫度不斷偏離初始溫度,并導致冷卻水溫度隨之變化和系統(tǒng)運行效率逐年下降[9]。對于寒冷地區(qū)使用地源熱泵系統(tǒng),這種現(xiàn)象尤為突出,由于冬季的供熱需求遠大于夏季的制冷要求,因而冬季從地下提取的熱量和夏季灌入地下的熱量顯著不平衡,這就會導致地下?lián)Q熱器周圍的土壤溫度逐年降低,換熱效率也會逐年下降,將有可能不滿足室內(nèi)的供暖需求。對這種地層熱不平衡問題,利用太陽能等其他能源作為輔助供熱或者進行地下儲能,可大幅度提高地源熱泵系統(tǒng)的效率。

如圖6所示,2006年,吉林大學在已建立的地源熱泵實驗平臺的基礎(chǔ)上,通過安裝聚焦式同步跟蹤太陽能集熱器,建立了聯(lián)合供暖系統(tǒng)實驗平臺[10],并針對該系統(tǒng)配備了整套的自動控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在對地源熱泵系統(tǒng)模型研究的基礎(chǔ)上,利用機理建模方法建立起整個聯(lián)合系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型,對系統(tǒng)進行數(shù)值模擬。針對中國北方的氣候特點,在系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)上對聯(lián)合系統(tǒng)中地源熱泵和太陽能集熱器的設(shè)計供熱負荷分配比例、運行模式及循環(huán)介質(zhì)流速設(shè)定等參數(shù)進行了優(yōu)化分析。該研究為供暖為主的北方寒冷地區(qū)地源熱泵及太陽能集熱器聯(lián)合系統(tǒng)提供了研究基礎(chǔ),對推廣地熱能和太陽能的綜合利用具有重要的指導意義和實用價值。

圖6 地源熱泵與太陽能聯(lián)合供暖系統(tǒng)

2007年,山東方亞地源熱泵空調(diào)技術(shù)有限公司在山東省德州市某辦公樓工程中,將地源熱泵與太陽能供熱空調(diào)復合系統(tǒng)進行了成功應用,應用的建筑物為3層,建筑面積為5000 m2,層高為3 m。夏季:室內(nèi)溫度24～26℃;相對濕度<65%。冬季:室內(nèi)溫度18～22℃。辦公樓建筑冷負荷指標為70 W/m2、熱負荷指標為60 W/m2;冷負荷為350 kW,熱負荷為300 kW。該項工程地質(zhì)條件為土層,采用單U型管形式換熱器,管徑DN32,單位埋深熱量約為42 W/m,換熱器總長度約為1萬m,換熱井深為100 m,換熱井數(shù)量為100口,井間距為5 m。設(shè)計太陽能集熱器集熱面積為480 m2,每組集熱器集熱面積為6 m2,集熱器共80組。該太陽能系統(tǒng)主要用于夏季制冷,冬季輔助地源熱泵供熱,過渡季節(jié)太陽能多余熱量,用地埋管蓄熱。該系統(tǒng)供熱和制冷共用1套裝置,冬季供暖循環(huán)水溫在35～45℃之間,夏季制冷循環(huán)水溫在7～12℃之間。這樣能滿足房間冬季供暖溫度不低于18℃,夏季制冷溫度不高于26℃的要求[11]。

6 結(jié)論

我國已具備了較完備的地源熱泵工程技術(shù),在淺層地熱能勘查評價技術(shù)規(guī)范、鉆孔熱反應原位測試技術(shù)、高效地下熱交換井技術(shù),地源熱泵與太陽能聯(lián)合技術(shù)等方面研究都取得了新的進展。這些技術(shù)的推廣應用將更有助于地源熱泵技術(shù)在我國的大量推廣應用,有助于實現(xiàn)我國2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%的節(jié)能減排目標。

[1] 淺層地熱能引領(lǐng)節(jié)能新潮流[J].中國建設(shè)信息:供熱制冷, 2010,(2）.

[2] 李元普.我國地源熱泵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].中國建設(shè)信息:供熱制冷,2009,(5）.

[3] 馬宏權(quán),龍惟定.世博園區(qū)江水源熱泵技術(shù)應用[J].建設(shè)科技,2010,(12）:58-64.

[4] DZ/T0225-2009,淺層地熱能勘查評價規(guī)范[S].

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[10] 李朝佳.太陽能輔助地源熱泵聯(lián)合供暖(制冷）運行模式分析[J].能源工程,2008,(6）.

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Progress and Application of Ground Source Heat Pump Technology in China

SUN You-hong1,2,ZHONG Chong-m ei1,3,WANG Q ing2hua1,2(1.College of Construction Engineering,Jilin University,Changchun Jilin 130026,China;2. Research Centerof GeothermalResource ofMinistry of Education of China,Changchun Jilin 130026,China;3.Changchun Engineering College,Changchun Jilin 130026,China）

Ground source heat pump(GSHP）technology was used in China not long,but the application speed is very fast,almost at an annual rate of over 20%growth,especially applied in the Expo 2010 Shanghai in large scale,to obtain good energy saving effect.W ith the application of the technology and in2depth research,China hasmastered the full range of GSHP technology,and in the technical regulations for shallow geothermal energy investigation and evaluation,bore ther-mal response testing techniques,efficient underground heat exchange wells,and joint application of solar and GSHP tech-nology have made new progress,these achievementswill be the realization of China’s energy2saving emission reduction tar-gets by 2050 to provide technical support.

ground source heat pump(GSHP）;thermal property;heat exchange well;back fullmaterial;solar energy

TK529;P634

:A

:1672-7428(2010）10-0030-05

2010-09-10

國土資源部公益性行業(yè)科研專項“地層熱物理性質(zhì)原位測試方法及儀器研究”(項目編號:200811066）;中國地質(zhì)調(diào)查局項目“淺層地熱能鉆采新技術(shù)研究與示范”(項目編號:科[2003]020-07）

孫友宏(1965-）,男(漢族）,江蘇如皋人,吉林大學建設(shè)工程學院院長、教授,博士生導師,地質(zhì)工程專業(yè),從事地質(zhì)工程和新能源勘探開發(fā)的教學與科研工作,吉林省長春市西民主大街6號,syh@jlu.cn。