沉降膜换热器基础研究及其复合源热泵系统应用分析

副题名

外文题名

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

论文作者

尹涌澜著

导师

高青指导

学科专业

学位级别

工学博士

学位授予单位

吉林大学

学位授予时间

2012

关键词

换热器 热泵系统 传热 螺旋流动

馆藏号

TK172

唯一标识符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.006011170

馆藏目录

2012\TK172\8

【学员问题】地源热泵系统形式及其优缺点？

【解答】地源热泵空调系统在我国还属初级阶段，需要因地制宜、统筹规划、使用能量特点和水文地质条件相结合，逐步合理的推进地源热泵空调技术，这样才能有利于优化能源结构，在环保的前提下，提高能源利用效率。以下就为您详细分析地源热泵的系统形式及其优缺点。

形式：

1、水平式地源热泵

通过水平埋置于地表面2～4以下的闭合换热系统，它与土壤进行冷热交换。此种系统适合于制冷供暖面积较小的建筑物，如别墅和小型单体楼。该系统初投资和施工难度相对较小，但占地面积较大。

2、垂直式地源热泵

通过垂直钻孔将闭合换热系统埋置在50M～400M深的岩土体与土壤进行冷热交换。此种系统适合于制冷供暖面积较大的建筑物，周围有一定的空地，如别墅和写字楼等。该系统初投资较高，施工难度相对较大，但占地面积较小。

3、地表水式地源热泵

地源热泵机组通过布置在水底的闭合换热系统与江河、湖泊、海水等进行冷热交换。此种系统适合于中小制冷供暖面积，临近水边的建筑物。它利用池水或湖水下稳定的温度和显著的散热性，不需钻井挖沟，初投资最小。但需要建筑物周围有较深、较大的河流或水域。

4、地下水式地源热泵

地源热泵机组通过机组内闭式循环系统经过换热器与由水泵抽取的深层地下水进行冷热交换。地下水排回或通过加压式泵注入地下水层中。此系统适合建筑面积大，周围空地面积有限的大型单体建筑和小型建筑群落。

近几年来，地能开发取得突破性进展。地球表面水源和土壤是一个巨大的集热器，收集来自太阳48%的能量，比人类每年利用能量的500倍还多。按换热载体分区，地源热泵空调主要有四种形式：一是地埋管地源热泵；二是地下水地源热泵；三是地表水地源热泵（包括海水源，江湖河溪水或地表潜水）；四是混合式地源热泵。

地表向下30～130米左右，一年四季的温度是相对恒定的，一般在15～20℃左右。地源热泵正是利用地能这一特性，通过消耗少量的电能，实现由低温位向高温位或由高温位向低温位的转换，从而充分地利用地能。在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。

优缺点：

一、地源热泵空调的优点

从理论和能耗的角度上分析，地源热泵空调技术利用储存于地表浅层或地下的取之不尽的能源，成为可再生能源的一种形式。地源热泵空调之所以节能，是因为其将土壤、地表水或地下水作为能源，在同等工况下，只需消耗约50%的能源，就可提供同等能量，比溴化锂技术节能最高可达65%；比蒸汽压缩式节能最高达40%；供热工程相当于燃煤锅炉的2/3.在系统运行时，由于不使用氟利昂、天然气、汽油等冷媒和燃料，可以大大减少对臭氧层的破坏作用，减少CO，的排放。

二、地源热泵空调使用可能带来的问题

地源热泵空调系统主要包括两大部分：一是建筑物内的水环路空调系统；二是地源热泵空调系统的地下部分，即地下耦合热泵系统的地下热交换器、地表水热泵系统的地表水热交换器、地下水热泵系统的水井系统。

（1）地表水热泵系统：地表水温度受气候的影响较大，与空气源热泵类似，在利用深层河水、湖水、海水进行吸热与放热的地表水水源热泵系统时，首先必须强调的是水体要有一定深度，没有5m深度的河流、湖泊、海域就不必考虑，一般来说，只有10m以下深度才有利用价值。对于属于地源热泵的水源热泵机组，如果是流动的江、河、溪水，水温合适的情况下，才可以使用。

例如，武汉东湖等浅水性湖泊夏季水温高于湿球温度，无利用价值，冬季水温略高于气温，可用作热源水；宁波奉化江水7m深31.2℃，珠江底层31.8℃，江水热污染很厉害，利用价值不大。可利用长江水作为地表水热泵系统的热源，但冬季江水水位很低，从取水的经济性及防洪角度考虑，实际利用还是极难的。

一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因数有关，需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热对水体中生态环境有无影响应预先加以考虑。深水湖在夏季会产生温度的分层，湖底保持较低的温度；冬季湖面结冰后会限制湖水温度的下降。从目前的实际工程情况来看，自然形成的浅水性湖泊受外界气候或热污染影响较大，因为是不流动的湖水，那就要看向湖水中排放的热量能不能经过湖水的自稳定性恢复，如果不能恢复，就不能使用，否则改变湖水温度，危及湖中生物；即使海边的建筑可以考虑海水源热泵，但一定要注意对洋流的影响，注意是否影响海洋生物的生存。

工程所在地与设置地下水换热器现场的距离超过500m的工程，必须认真进行全面的技术经济比较分析。如果忽略其应用条件是否具备，在推广地表水水源热泵系统的同时，最后可能导致河水、湖水、海水的水泵输配能耗抵消在水源热泵上所获得的节能效益。

为经济可行地利用江、河、海水冷热源，只能对江、河、海水作粗效预处理，以解决大量泥沙和悬浮物对流通面的阻塞问题，但水中依然含有小粒径的固体物，将影响换热器的流动换热特性，这样也增加了运行、保修的费用。

（2）地下水地源热泵（地表潜水）和地下水地源热泵这两种方式，是将含有地温的水从井中抽取出来，取出热后，再回灌到其它井中；或不抽取地下水，只采用地埋管的形式。国内很多大专院校进行了相关的埋地管的试验研究和小型的工程应用，并建立了地埋管的传热模型。各地的地质条件不同，土壤的温度和热物性参数都不一样，因此，地下水热泵的应用还有待进一步的实验验证和实验数据的积累。此外，这一浅层地能的采集技术涉及到开采利用地下水或地表水，有三个缺点：

1）在抽水并回灌于其它井的同时，会造成井中砂的移动，当大量的井砂移出后，往往会造成抽水井的塌陷，同时也造成了回水井的堵塞，缩短了井的寿命；

2）在多数地质条件下，很多工程实际上并未达到100%回灌。回灌井与生产井的数量配置和是否需要冬夏对调轮换，单井回灌是否合理有效，是否会破坏地下含水层等。井水的回灌往往不畅，易造成地下水资源的浪费，虽然抽水后有回灌井将抽出的水回灌，但这并不是一个完全可逆的过程，回灌后土壤中的水质和水量并不能与抽水前完全一致，大量地下水的抽取和回灌必然造成地下水位的不平衡，影响当地的地质构造，有可能危害地上的建筑物。

3）地源热泵机组要求全年冷负荷和热负荷要基本均衡，这样才不至于发生地下热环境恶化，机组能效比降低甚至无法正常使用。在30～300m深的地下，只要其全年的总取热量与总排热量相等，就能持久地维持恒温带的状态；如果把恒温带地层看作为“取之不尽，可不断再生的低温地热资源”，可由深层的地热资源或地表太阳能来补充，那就会犯原理性错误。

实际上地下土壤、卵石与岩石的传热，地下含水层的热迁移都是十分缓慢的，如果我们不遵守年热平衡原则，倘若真的每年夏季累计向地下排放的热量大于冬季累计吸取的热量，即使该地区地下恒温带每年只升高0.5℃，10年后该地源热泵系统就不能有效正常工作了。且口使使用地埋管地源热泵，属于闭式系统，但垂直埋管系统占地面积小，水系统耗电少，但钻井费用高；水平埋管安装费用低，但占地面积大，水系统耗电大。虽然没有抽取地表水、地下水，但它改变了地内温度，影响地质，甚至植物的生长。

目前在我国，技术上相对成熟、利用可行性较大、实施的工程项目较多的是地下水热泵系统。为迎合地源热泵空调这门新技术，片面追求其节能效果，目前国内生产水源热泵机组的厂家也已达到二、三十家。因为国内还没有颁布水源热泵机组的生产技术标准，国内厂家生产的产品质量差别较大，有些厂家的产品，技术参数不完整、不准确0很多生产厂家没有实测手段，采用水源热泵机组所需要的很多数据不能提供，甚至不排除某些技术力量差的厂家根本就没有弄清楚水源热泵机组和常规冷水机组的技术差异，直接就拿常规冷水机组来作为水源热泵机组推销到市场使用。这样，既没发挥水源热泵机组的节能优势，又破坏了环境。

（3）有的地源热泵空调工程在完工使用的初期进行地质勘测，得出结论表明地源热泵空调对地质没影响，但这样的结论下得似乎过早。不设监测井，不对地下水的生产量、回灌量、水温、水质、含水层厚度变化进行定期、持久的监测。打井公司只要能抽出设计所规定的水温、水量的地下水后就算完成任务。对于地下水热泵系统，能提供完整水文地质资料的极少，绝大部分工程投入运行后，根本没有对地下水的基本参数进行定期监测，更谈不上提供地下水迁移数据。

水文地质分析和计算结果可以看出，只取水不进行有效回灌或回灌不慎造成地下水污染的都是极不负责任的行为，并且这种不负责任的行为造成的损失是无法挽回的，例如，天津唐沽地下水过量开采，导致海水渗透进去，对生态造成严重破坏；华北地区形成4万平方公里的华北大漏斗；西安由于地下水过量开采，导致大雁塔倾斜近1m，并且形成十三条纵、横向裂缝，长达50公里，钟楼下陷135rot/1.

我们不能忽视或有意淡化、掩盖地源热泵系统对城市地下水资源造成污染的可能，对周围建筑与整个城市地层结构起破坏作用的可能，以及工程有可能失败的风险性。在行政管理上，打井抽取地下水，地矿、国土资源、城市环保、自来水公司等部门似乎都有权管辖，全国至今都没有一个统一的管理条例与组织来管理地下水的使用。少量的地源热泵空调在不长的运行时期内，可能对地质影响不大，但如大量的地源热泵空调长期的使用，则后果不难想象，也许人类在竭力减少对地球表面上的破坏的同时，已通过地源热泵空调对地下进行破坏，而这种破坏一旦造成，可能更难修复。

（4）从经济和技术的角度看，建设地源热泵系统，其地下部分无论是埋管、打井，还是设置湖泊、河流、海洋的水下换热器或取水装置，由于牵扯到为蓄能井选址必须进行土质和地下水勘探等一些专业性很强的作业，需要有一定的水文地质与海洋专业知识，这对于空调专业的技术人员来说，并不擅长；其地上部分，无论是建筑物的全年冷、热负荷计算与全年分布规律，还是室内外的水系统设计，也绝非是水文地质、地矿勘探、海洋海港技术人员的专长。

为了使地源热泵系统健康发展，加强空调行业和水文地质、地矿勘探、海洋海港行业之间的沟通和合作极为重要。另一方面，为蓄能井选址进行的土质和地下水勘探等一些专业性很强的作业和大量的地下施工等，使投资规模加大，这就导致系统的造价和安装费用高，成本回收周期长，也成为地源热泵空调技术应用上的最大的障碍。

结语：类似“地源水经过热泵机组后，只是交换热量，水质几乎没有发生变化，经回灌至地层或重新排入地表水体后，不会造成对原有水源的污染”之类的说法应谨慎。如在广东，广州、深圳等地的气候条件是夏季供冷时间很长，且冷负荷比较大，而冬季供热需求量很少，冷负荷远大于热负荷，冷热负荷很不均衡，如果没有足够的供热需要，来抵消夏季的冷负荷，达到冷热平衡，是不主张使用地源热泵机组做冷热源的。

以上内容均根据学员实际工作中遇到的问题整理而成，供参考，如有问题请及时沟通、指正。