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《地源熱泵》雜志 主辦單位:中國能源研究會地熱專業委員會 國際地源熱泵協會中國地區委員會 ISSN:1997-5147 會員登錄 免費注冊
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方肇洪教授談地熱換熱器全年冷熱負荷平衡問題

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  來源:地源熱泵網     發布日期:2017-01-05
核心提示:中國地源熱泵產業聯盟理事長、國際地源熱泵協會中國分會會長方肇洪教授于2016年12月29日晚8點在中國地源熱泵產業聯盟微講座群發表了題為《地埋管地源熱泵系統的技術關鍵之一:地熱換熱器全年冷熱負荷平衡問題》的演講。
        時     間:2016年12月29日晚8:00-9:00點
                    (中國地源熱泵產業聯盟微講座群)
        組  織 者:中國地源熱泵產業聯盟秘書處
        演講嘉賓:中國地源熱泵產業聯盟理事長、國際地源熱泵協會中國分會會長 方肇洪教授
        演講題目:《地埋管地源熱泵系統的技術關鍵之一:地熱換熱器全年冷熱負荷平衡問題》
 
     【研究背景】
      地源熱泵的應用實踐
      傳熱/蓄熱理論vs大地熱流理論
 
     【影響因素】
      冷熱負荷的大小和比例
      鉆孔的數量和間距
      埋管深度
      地下水流動的影響
 
     【解決辦法:復合系統】
      好處:冷熱負荷平衡,可靠性,經濟性
      冷負荷占優的系統:供熱水,冷卻塔,地表水
      熱負荷占優的系統:燃氣鍋爐,電鍋爐(蓄熱),季節性蓄熱(太陽能、余熱)
 
 
      以下內容是根據方肇洪教授2016年12月29日晚8:00點講話錄音整理而成:

      各位地源熱泵界的同仁們,各位網友們大家晚上好,大家知道我是過了七十了,學這些新技術可能是有點落后,但是我們《地源熱泵》雜志社的年輕人,也是我們地源熱泵產業聯盟的年輕人,他們很有干勁,也愿意創新,創造的這些新的方式,我們當然理所當然地給予支持。

      現在言歸正傳,可能想要講的不少。地源熱泵系統我在很多場合也都說過了,地源熱泵有三個缺點,好處我先不說了,其中一個最重要的缺點是,除了地源熱泵系統外別的都沒有的,多出一個特別的問題叫做我們地下有一個叫冷熱負荷平衡的問題,其它的供熱系統都沒有這個問題。

      我們中國的地源熱泵進入市場是在2005年。這個問題在開始的時候,大家認識并不是一致。我們地源熱泵系統經過實際應用,進入市場,大概有十年多一點的時間,現在大家認識比較一致了。我可能現在講這個問題比較好講一點,那么說為什么要講這個事?我想第一個是,由于我們地源熱泵在應用的實踐中發現了問題,我們不能不講。

      我們對這個問題的理解,這個地源熱泵系統的熱量是哪來的,那個熱量是土和石頭里來的,但是呢,它要求一個平衡,我們冬天用的那個熱量,需要在全年的其他時間有熱量的補充的,這是一個傳熱的理論,蓄熱的理論。

      大地熱流理論對不對呢,大地熱流當然是對的。這是學地質的人,他們講這個理論比較清楚,我們隔著一行,多少不是特別清楚。但是根據我的理解,為什么有大地熱流呢,因為地心是熱的,可能6000°左右,我們地表那是0~20°這樣一個地表的溫度,所以當然它有熱量傳出來,那么這個傳熱呢,如果是固體導熱,那么公式也非常簡單,多少厚的一個地殼,或者叫地幔,有多厚,溫差有多少,然后巖石導熱系數有多少,我們可以算出大地熱流來。大地熱流在不同地方是不一樣的,比如說那個地下熔巖在不同的地方離地面的深度是不一樣的,所以各地的大地熱流也會不同。

      大地熱流是有的,但是要靠大地熱流來補,你是在上頭把那個熱量都抽走了,你要指望大地熱流來補是補不上的,實際上在我們地源熱泵系統里頭那個熱流,它不是從下面往上跑,是四面八方是水平地流過來的。我們做了一個鉆孔埋管在那里,有溫差,熱流是水平方向往這個孔里頭來導熱,是這樣的一個情況。大地熱流從底下上來,平均的值大約在70mw/m2,地源熱泵的熱流是水平的,但折算成單位地面面積中抽取的熱量,可能是250W/m2的量級,兩者差3個數量級。我想關于這個問題,恐怕已經講了不少了,要再講的話后面就沒有時間了,甚至還有人當時也在討論說,地源熱泵的熱量是太陽能,是太陽曬到地下,我今天恐怕沒有時間來展開講了,要是再講的話,后面的正題都沒時間。

      剛才說的,一點沒有要跟我們主流唱反調的事,說地源熱泵是淺層地熱能,可再生能源,我非常贊成,我們要舉這個旗幟,我們要爭取政府的支持,政府給補貼當然最好,多多益善,這是對發展我們地源熱泵產業有利,而且對老百姓也是有利的,把這個事早點做起來,這是有利的。

      我想還是言歸正傳講一些下面的事。第一就是說冷熱負荷不平衡的問題,影響因素有哪些?第一個當然非常明顯的是冷熱負荷大小和比例,這就是說,比如山東的熱冷負荷怎么樣,到了黑龍江又是怎樣,到了上海又是怎樣。當然在山東也不一樣,就說在濟南,你是居住建筑和一個辦公樓也是不一樣的,和商業建筑也是不一樣的,那么這個冷熱負荷大小比例要怎么辦呢,照理說是要算出來的。照理說我們在建筑空調設計里頭有一個動態負荷計算軟件。動態設計軟件就是可以把建筑物的逐時負荷都給算出來。當然一個很大的樓,其實算起來是很費勁的,一個一個房間要算,據我所知一般我們中國的建筑設計院里頭,其實都不是這樣算,算起來太麻煩,而且恐怕也算不準,因為這個樓將來到底怎么用,其實他們也是沒有把握的事,將來的變量太多。所以大家一般都用一個叫做熱負荷指標、冷負荷指標,一平方米大概算多少瓦,冬天算個三十瓦, 大概就這樣,夏天我們說憑經驗,一百瓦,八十瓦,加上一共樓的面積有多少,就算出來了,但是這樣算的,只是一個峰值負荷。

      地源熱泵的設計來說,其實峰值負荷當然是很重要的,但是我們重要的是一個全年累積的負荷,這件事,嚴格來說非得要動態負荷一個小時一個小時算,才能算出來。但是我剛才也說了,其實說實話,真要用軟件算,也是算不很準的,這個地方怎么辦?我有時候給學生講課,對這個事兒有兩種來考慮問題的思路,一種叫科學,一種叫技術。科學叫我們是要認識世界,說這個事到底有什么規律。還有一種叫技術,是說怎樣改造世界。當科學還沒有完全認知規律的時候,還能不能改造世界呢?所以科學家算不準是很難避免的,但還有一種辦法就是工程師的辦法。工程師第一是在實踐中試,在試錯中學習;第二是在算不準的時候會留有余地,所以我們有很多空調的設計,留的余地太大,這個地方放大百分之十,這個地方放大百分之二十,五個地方放大了以后,放了一倍還不止了啊。這種情況大家在很多實際空調工程里發現了很多,機房里頭放了四臺機器,開兩臺的時候都很少。在設計地源熱泵系統時也免不了要適當留有余地。那么還有一種辦法其實我們可以用,還有其它的思路,比如我們的復合系統,一會我會講。所以說第一個,應該怎么算,其實從道理上來說,就是你要動態負荷,全年的負荷,一個小時一個小時算,你把它累積起來,冬天一共要吸收多少熱量,夏天要放出去多少熱量。

      這個地方,我其實要告訴大家一個稍微好點的消息,剛才說了算不準怎么辦。因為我們主要在山東,我們做地源熱泵其實開始的時候,首先要解決的是北方的供熱問題,南方的空調問題要不要用地源熱泵或者說其他技術都很成熟,真正開始要推地源熱泵其實是為了解決北方的供熱問題。北方的供熱問題,我們碰到的建筑,最怕是冬天熱不夠了,夏天熱多了一點不怕。所以我們在北方做地源熱泵項目的話,我就是怕冬天不行,冬天出問題。我要告訴大家一個稍微好一點的消息,根據我的一個基本的簡單的估算,我們所謂要平衡,并不是說我們夏天放出來的熱量,和冬天建筑物所需要的熱量要1:1,這叫平衡,不是的。我們說的是地下,是地下換熱器,要求冷熱負荷平衡,地下巖土,要求冷熱負荷平衡,這個時候,因為夏天建筑物的熱量,還要加上壓縮機的功,加上水泵的功,都要送到地下去。冬天我們建筑需要的熱量,有一部分是從地下來的,還有一部分是壓縮機的功,水泵的功等,都會變成熱量。所以夏季建筑累計的冷負荷(放熱量)和冬季累計的熱負荷(需熱量)之比大致在1:1.8時地下就可以平衡。所以夏季開空調哪怕少一點,對平衡也絕對有好處。

       第二,當然是和鉆孔的數量和間距有關系,我在一些場合也說過,比如像北歐,人家用的也很多,像德國。德國那個地方,夏天其實很涼快,根本用不著空調,人家的地源熱泵就是解決冬天的供熱問題,人家單供熱怎么就行呢,人家是一家一戶,兩三百個平方,就是鉆兩孔,人家的規范要求兩孔間距拉到十米以上,這種情況,它的影響會小得多,在一年的其他時間里頭。四面八方,孔周圍的巖土對它的導熱就會起到一個很好的補助作用。我們中國就不一樣,中國一弄就是一百個孔是小的,一千個孔是正常的。這個時候考巖土的導熱來補充就不行了。

      在這個地方,我要告訴大家,其實在外國,我看到的一些資料,在嚴寒地區,人們更多的不是用豎直埋管,用水平埋管。有的人就覺得不理解了,嚴寒地區怎么用水平埋管,地表的溫度很低,你打深一點溫度好啊,溫度高了好幾度,你水平埋管不就完了嗎?我后來理解到了,在嚴寒地區它就是光供熱,它不要供冷。光供熱,如果用水平埋管的話,它一年的時間就會恢復,這個恢復,主要不是靠水平熱流,而是靠地表和地表的傳熱就可以對它恢復,所以它總體來說,冷熱負荷不平衡的影響會比較小。當然不是說它的系統整個效率會高,它的COP是高不了的,它肯定是要用防凍液的,但是總比電鍋爐會要好一點,只要你初投資肯投,那么我用熱泵總要比電鍋爐或電直接加熱效率會高一點。

      地下水流動的影響,我還要講快一點,我還是希望要給大家留一點時間來討論這些問題。地下水的流動影響很大是說什么意思呢,是說兩個意思,第一個是說,地下水流動速度很小的地方,和地下水流動很大的地方,這個差別可以很大,因為地下水流動的速度可能會差幾個數量級。關于這方面也是搞水文地質的人他們最明白了,說到底這個地方地下水流動大概是多少啊,我真是不知道,小到多少,大到多大,我真是沒有數。小的話我們可以知道,有很多地方黏土,或者是砂巖,那個滲透率是非常小的,可以接近于零;大的話,當然也有,所謂的大,我想根據我讀到的文件,大概也就是每年能夠到了幾十米的話,這個速度,每年幾十米就算不小。

      但是現在的問題是,怎樣確定這個地下有沒有地下水,地下水的流速有多大,這也許我們可以把這個問題提出來,我們希望和搞水文地質的人一起來把這個事來好好談談。我們在設計的時候,我們怎么樣來知道地下水的情況怎么樣,因為至少在搞暖通空調的人的設計手冊或者推薦辦法里頭,我不知道有多少地下水的流動,當然包括地下水層的厚度,我們鉆了一百米,這個地方有十米的含水層,或者只有兩米的含水層,當然有不一樣。這些情況不能確定,那么工程師,做暖通空調的工程師他怎么辦呢。所以現在地埋管換熱器的設計通常是按純導熱來設計的,也就是不考慮地下水滲流的作用,這樣偏于保守。有反映說有些項目是單供熱,但運行了幾年還不錯,性能沒有明顯的衰減。我首先想到的原因是這個地方地下水的滲流相當好。這些經驗需要總結。

      再說一說地下冷熱不平衡怎樣解決。解決辦法當然叫做復合系統了。第一個解決辦法可以是什么呢,我盡量地多埋管行不行啊,當然行,你不怕花錢,說我很不平衡的,本來埋一百個孔就夠了,我埋五百個孔行不行啊,行,大概你用二十年,它都可以滿足需求了,我完全可以設計得這樣,但是這個事恐怕不是一個好的辦法,大家都不喜歡用。

      我們可以考慮的是復合系統,什么叫復合系統,就是有地源熱泵,地埋管系統加上其它的,比如說冷卻塔,比如說在上海我們用冷卻塔,在北方我們加個燃氣鍋爐,這種叫復合系統。復合系統的好處,當然說,如果上海熱量太多,我當然是加個冷卻塔,我不會去上海加個燃氣鍋爐,這個太明白了,所以這叫根據我的負荷。假如說在我們濟南來做吧。如果是一個居住建筑,我們說它的冬天取熱量比較多,夏天空調開的很少,老百姓住在家里不經常開,所以是不大平衡的,我們心里沒把握,怎么辦呢,我的負荷又算不準怎么辦,我最好的辦法,我們做的話,可以跟業主講,要是有燃氣,你用一個燃氣鍋爐做后備。這個比較好,第一個冷熱負荷平衡比,第二個就是系統的可靠性。如果是醫院,我更會推薦你搞一個燃氣鍋爐,萬一那個壞了呢,還有這一套墊著呢。第三個叫經濟性,看起來多花了一點錢,其實沒有多花,拿整個生命周期的費用來比較的話,它的經濟性也是很好的。

      地源熱泵系統,我們把它叫做可再生能源系統也好,節能系統也好,這些東西都是要花錢的,它是初投資高,但是它運行費用比較低,所以它經濟性合理是在這。但是因為我初投資投了很多錢,我希望它盡量地多用,一年里用的時間越長,我的回收周期越短。但是我們的供熱供冷都有一個特點,全年的負荷是很不平衡的,一年最冷的時候也就十天八天,一年最熱的時候也就是那十天八天,我們如果要用地源熱泵系統來滿足這些高峰負荷,我的初投資就會比較大,或者我設計的系統就會比較大,我的初投資就會比較高。

      那么我們如果換一個思路,我們叫地源熱泵系統來承擔它的基礎負荷,百分之七十的負荷,高峰負荷的百分之七八十,剩下的那個怎么辦呢,我就用常規的能源,燃氣鍋爐或者電鍋爐,這些常規的能源它的特點是,初投資要比地源熱泵少得多,但是它的運行費用比較高。但是輔助系統的好處是它運行的時間可能很短,一年里頭就那么短時間的運行,而且理論上來說,它不是承擔全部負荷,它只要承擔高峰負荷就行,所以運行費用貴,在這里就那么沒有嚴重的問題,總算起來,可能是這種復合系統技術上是最合理的,經濟上也是最合理的。

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