《地源热泵》杂志 主办单位:中国能源研究会地热专业委员会 国际地源热泵协会中国地区委员会 ISSN:1997-5147 会员登录 免费注册
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方肇洪教授谈地热换热器全年冷热负荷平衡问题

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  来源:地源热泵网     发布日期:2017-01-05
核心提示:中国地源热泵产业联盟理事长、国际地源热泵协会中国分会会长方肇洪教授于2016年12月29日晚8点在中国地源热泵产业联盟微讲座群发表了题为《地埋管地源热泵系统的技术关键之一:地热换热器全年冷热负荷平衡问题》的演讲。
        时     间:2016年12月29日晚8:00-9:00点
                    (中国地源热泵产业联盟微讲座群)
        组  织 者:中国地源热泵产业联盟秘书处
        演讲嘉宾:中国地源热泵产业联盟理事长、国际地源热泵协会中国分会会长 方肇洪教授
        演讲题目:《地埋管地源热泵系统的技术关键之一:地热换热器全年冷热负荷平衡问题》
 
     【研究背景】
      地源热泵的应用实践
      传热/蓄热理论vs大地热流理论
 
     【影响因素】
      冷热负荷的大小和比例
      钻孔的数量和间距
      埋管深度
      地下水流动的影响
 
     【解决办法:复合系统】
      好处:冷热负荷平衡,可靠性,经济性
      冷负荷占优的系统:供热水,冷却塔,地表水
      热负荷占优的系统:燃气锅炉,电锅炉(蓄热),季节性蓄热(太阳能、余热)
 
 
      以下内容是根据方肇洪教授2016年12月29日晚8:00点讲话录音整理而成:

      各位地源热泵界的同仁们,各位网友们大家晚上好,大家知道我是过了七十了,学这些新技术可能是有点落后,但是我们《地源热泵》杂志社的年轻人,也是我们地源热泵产业联盟的年轻人,他们很有干劲,也愿意创新,创造的这些新的方式,我们当然理所当然地给予支持。

      现在言归正传,可能想要讲的不少。地源热泵系统我在很多场合也都说过了,地源热泵有三个缺点,好处我先不说了,其中一个最重要的缺点是,除了地源热泵系统外别的都没有的,多出一个特别的问题叫做我们地下有一个叫冷热负荷平衡的问题,其它的供热系统都没有这个问题。

      我们中国的地源热泵进入市场是在2005年。这个问题在开始的时候,大家认识并不是一致。我们地源热泵系统经过实际应用,进入市场,大概有十年多一点的时间,现在大家认识比较一致了。我可能现在讲这个问题比较好讲一点,那么说为什么要讲这个事?我想第一个是,由于我们地源热泵在应用的实践中发现了问题,我们不能不讲。

      我们对这个问题的理解,这个地源热泵系统的热量是哪来的,那个热量是土和石头里来的,但是呢,它要求一个平衡,我们冬天用的那个热量,需要在全年的其他时间有热量的补充的,这是一个传热的理论,蓄热的理论。

      大地热流理论对不对呢,大地热流当然是对的。这是学地质的人,他们讲这个理论比较清楚,我们隔着一行,多少不是特别清楚。但是根据我的理解,为什么有大地热流呢,因为地心是热的,可能6000°左右,我们地表那是0~20°这样一个地表的温度,所以当然它有热量传出来,那么这个传热呢,如果是固体导热,那么公式也非常简单,多少厚的一个地壳,或者叫地幔,有多厚,温差有多少,然后岩石导热系数有多少,我们可以算出大地热流来。大地热流在不同地方是不一样的,比如说那个地下熔岩在不同的地方离地面的深度是不一样的,所以各地的大地热流也会不同。

      大地热流是有的,但是要靠大地热流来补,你是在上头把那个热量都抽走了,你要指望大地热流来补是补不上的,实际上在我们地源热泵系统里头那个热流,它不是从下面往上跑,是四面八方是水平地流过来的。我们做了一个钻孔埋管在那里,有温差,热流是水平方向往这个孔里头来导热,是这样的一个情况。大地热流从底下上来,平均的值大约在70mw/m2,地源热泵的热流是水平的,但折算成单位地面面积中抽取的热量,可能是250W/m2的量级,两者差3个数量级。我想关于这个问题,恐怕已经讲了不少了,要再讲的话后面就没有时间了,甚至还有人当时也在讨论说,地源热泵的热量是太阳能,是太阳晒到地下,我今天恐怕没有时间来展开讲了,要是再讲的话,后面的正题都没时间。

      刚才说的,一点没有要跟我们主流唱反调的事,说地源热泵是浅层地热能,可再生能源,我非常赞成,我们要举这个旗帜,我们要争取政府的支持,政府给补贴当然最好,多多益善,这是对发展我们地源热泵产业有利,而且对老百姓也是有利的,把这个事早点做起来,这是有利的。

      我想还是言归正传讲一些下面的事。第一就是说冷热负荷不平衡的问题,影响因素有哪些?第一个当然非常明显的是冷热负荷大小和比例,这就是说,比如山东的热冷负荷怎么样,到了黑龙江又是怎样,到了上海又是怎样。当然在山东也不一样,就说在济南,你是居住建筑和一个办公楼也是不一样的,和商业建筑也是不一样的,那么这个冷热负荷大小比例要怎么办呢,照理说是要算出来的。照理说我们在建筑空调设计里头有一个动态负荷计算软件。动态设计软件就是可以把建筑物的逐时负荷都给算出来。当然一个很大的楼,其实算起来是很费劲的,一个一个房间要算,据我所知一般我们中国的建筑设计院里头,其实都不是这样算,算起来太麻烦,而且恐怕也算不准,因为这个楼将来到底怎么用,其实他们也是没有把握的事,将来的变量太多。所以大家一般都用一个叫做热负荷指标、冷负荷指标,一平方米大概算多少瓦,冬天算个三十瓦, 大概就这样,夏天我们说凭经验,一百瓦,八十瓦,加上一共楼的面积有多少,就算出来了,但是这样算的,只是一个峰值负荷。

      地源热泵的设计来说,其实峰值负荷当然是很重要的,但是我们重要的是一个全年累积的负荷,这件事,严格来说非得要动态负荷一个小时一个小时算,才能算出来。但是我刚才也说了,其实说实话,真要用软件算,也是算不很准的,这个地方怎么办?我有时候给学生讲课,对这个事儿有两种来考虑问题的思路,一种叫科学,一种叫技术。科学叫我们是要认识世界,说这个事到底有什么规律。还有一种叫技术,是说怎样改造世界。当科学还没有完全认知规律的时候,还能不能改造世界呢?所以科学家算不准是很难避免的,但还有一种办法就是工程师的办法。工程师第一是在实践中试,在试错中学习;第二是在算不准的时候会留有余地,所以我们有很多空调的设计,留的余地太大,这个地方放大百分之十,这个地方放大百分之二十,五个地方放大了以后,放了一倍还不止了啊。这种情况大家在很多实际空调工程里发现了很多,机房里头放了四台机器,开两台的时候都很少。在设计地源热泵系统时也免不了要适当留有余地。那么还有一种办法其实我们可以用,还有其它的思路,比如我们的复合系统,一会我会讲。所以说第一个,应该怎么算,其实从道理上来说,就是你要动态负荷,全年的负荷,一个小时一个小时算,你把它累积起来,冬天一共要吸收多少热量,夏天要放出去多少热量。

      这个地方,我其实要告诉大家一个稍微好点的消息,刚才说了算不准怎么办。因为我们主要在山东,我们做地源热泵其实开始的时候,首先要解决的是北方的供热问题,南方的空调问题要不要用地源热泵或者说其他技术都很成熟,真正开始要推地源热泵其实是为了解决北方的供热问题。北方的供热问题,我们碰到的建筑,最怕是冬天热不够了,夏天热多了一点不怕。所以我们在北方做地源热泵项目的话,我就是怕冬天不行,冬天出问题。我要告诉大家一个稍微好一点的消息,根据我的一个基本的简单的估算,我们所谓要平衡,并不是说我们夏天放出来的热量,和冬天建筑物所需要的热量要1:1,这叫平衡,不是的。我们说的是地下,是地下换热器,要求冷热负荷平衡,地下岩土,要求冷热负荷平衡,这个时候,因为夏天建筑物的热量,还要加上压缩机的功,加上水泵的功,都要送到地下去。冬天我们建筑需要的热量,有一部分是从地下来的,还有一部分是压缩机的功,水泵的功等,都会变成热量。所以夏季建筑累计的冷负荷(放热量)和冬季累计的热负荷(需热量)之比大致在1:1.8时地下就可以平衡。所以夏季开空调哪怕少一点,对平衡也绝对有好处。

       第二,当然是和钻孔的数量和间距有关系,我在一些场合也说过,比如像北欧,人家用的也很多,像德国。德国那个地方,夏天其实很凉快,根本用不着空调,人家的地源热泵就是解决冬天的供热问题,人家单供热怎么就行呢,人家是一家一户,两三百个平方,就是钻两孔,人家的规范要求两孔间距拉到十米以上,这种情况,它的影响会小得多,在一年的其他时间里头。四面八方,孔周围的岩土对它的导热就会起到一个很好的补助作用。我们中国就不一样,中国一弄就是一百个孔是小的,一千个孔是正常的。这个时候考岩土的导热来补充就不行了。

      在这个地方,我要告诉大家,其实在外国,我看到的一些资料,在严寒地区,人们更多的不是用竖直埋管,用水平埋管。有的人就觉得不理解了,严寒地区怎么用水平埋管,地表的温度很低,你打深一点温度好啊,温度高了好几度,你水平埋管不就完了吗?我后来理解到了,在严寒地区它就是光供热,它不要供冷。光供热,如果用水平埋管的话,它一年的时间就会恢复,这个恢复,主要不是靠水平热流,而是靠地表和地表的传热就可以对它恢复,所以它总体来说,冷热负荷不平衡的影响会比较小。当然不是说它的系统整个效率会高,它的COP是高不了的,它肯定是要用防冻液的,但是总比电锅炉会要好一点,只要你初投资肯投,那么我用热泵总要比电锅炉或电直接加热效率会高一点。

      地下水流动的影响,我还要讲快一点,我还是希望要给大家留一点时间来讨论这些问题。地下水的流动影响很大是说什么意思呢,是说两个意思,第一个是说,地下水流动速度很小的地方,和地下水流动很大的地方,这个差别可以很大,因为地下水流动的速度可能会差几个数量级。关于这方面也是搞水文地质的人他们最明白了,说到底这个地方地下水流动大概是多少啊,我真是不知道,小到多少,大到多大,我真是没有数。小的话我们可以知道,有很多地方黏土,或者是砂岩,那个渗透率是非常小的,可以接近于零;大的话,当然也有,所谓的大,我想根据我读到的文件,大概也就是每年能够到了几十米的话,这个速度,每年几十米就算不小。

      但是现在的问题是,怎样确定这个地下有没有地下水,地下水的流速有多大,这也许我们可以把这个问题提出来,我们希望和搞水文地质的人一起来把这个事来好好谈谈。我们在设计的时候,我们怎么样来知道地下水的情况怎么样,因为至少在搞暖通空调的人的设计手册或者推荐办法里头,我不知道有多少地下水的流动,当然包括地下水层的厚度,我们钻了一百米,这个地方有十米的含水层,或者只有两米的含水层,当然有不一样。这些情况不能确定,那么工程师,做暖通空调的工程师他怎么办呢。所以现在地埋管换热器的设计通常是按纯导热来设计的,也就是不考虑地下水渗流的作用,这样偏于保守。有反映说有些项目是单供热,但运行了几年还不错,性能没有明显的衰减。我首先想到的原因是这个地方地下水的渗流相当好。这些经验需要总结。

      再说一说地下冷热不平衡怎样解决。解决办法当然叫做复合系统了。第一个解决办法可以是什么呢,我尽量地多埋管行不行啊,当然行,你不怕花钱,说我很不平衡的,本来埋一百个孔就够了,我埋五百个孔行不行啊,行,大概你用二十年,它都可以满足需求了,我完全可以设计得这样,但是这个事恐怕不是一个好的办法,大家都不喜欢用。

      我们可以考虑的是复合系统,什么叫复合系统,就是有地源热泵,地埋管系统加上其它的,比如说冷却塔,比如说在上海我们用冷却塔,在北方我们加个燃气锅炉,这种叫复合系统。复合系统的好处,当然说,如果上海热量太多,我当然是加个冷却塔,我不会去上海加个燃气锅炉,这个太明白了,所以这叫根据我的负荷。假如说在我们济南来做吧。如果是一个居住建筑,我们说它的冬天取热量比较多,夏天空调开的很少,老百姓住在家里不经常开,所以是不大平衡的,我们心里没把握,怎么办呢,我的负荷又算不准怎么办,我最好的办法,我们做的话,可以跟业主讲,要是有燃气,你用一个燃气锅炉做后备。这个比较好,第一个冷热负荷平衡比,第二个就是系统的可靠性。如果是医院,我更会推荐你搞一个燃气锅炉,万一那个坏了呢,还有这一套垫着呢。第三个叫经济性,看起来多花了一点钱,其实没有多花,拿整个生命周期的费用来比较的话,它的经济性也是很好的。

      地源热泵系统,我们把它叫做可再生能源系统也好,节能系统也好,这些东西都是要花钱的,它是初投资高,但是它运行费用比较低,所以它经济性合理是在这。但是因为我初投资投了很多钱,我希望它尽量地多用,一年里用的时间越长,我的回收周期越短。但是我们的供热供冷都有一个特点,全年的负荷是很不平衡的,一年最冷的时候也就十天八天,一年最热的时候也就是那十天八天,我们如果要用地源热泵系统来满足这些高峰负荷,我的初投资就会比较大,或者我设计的系统就会比较大,我的初投资就会比较高。

      那么我们如果换一个思路,我们叫地源热泵系统来承担它的基础负荷,百分之七十的负荷,高峰负荷的百分之七八十,剩下的那个怎么办呢,我就用常规的能源,燃气锅炉或者电锅炉,这些常规的能源它的特点是,初投资要比地源热泵少得多,但是它的运行费用比较高。但是辅助系统的好处是它运行的时间可能很短,一年里头就那么短时间的运行,而且理论上来说,它不是承担全部负荷,它只要承担高峰负荷就行,所以运行费用贵,在这里就那么没有严重的问题,总算起来,可能是这种复合系统技术上是最合理的,经济上也是最合理的。

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