兩淮礦區(qū)地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用研究★

郭 超 　 胡劉軍 　 汪大海 　 陳 龍

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南　232001)

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兩淮礦區(qū)地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用研究★

郭 超 胡劉軍 汪大海 陳 龍

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南232001)

摘要：從兩淮地區(qū)氣候、地溫分布和巖石熱物性三方面，綜合分析了地源熱泵技術(shù)在該地區(qū)的適用性，并研究了地源熱泵在該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益，為地源熱泵系統(tǒng)在兩淮礦區(qū)的應(yīng)用提供理論依據(jù)，同時也為今后該地區(qū)熱響應(yīng)測試提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：地源熱泵，兩淮礦區(qū)，地溫，巖石熱物性

0引言

隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以煤炭為基礎(chǔ)能源的地區(qū)將逐漸轉(zhuǎn)向發(fā)展清潔能源，位于我國中部產(chǎn)煤重地的兩淮地區(qū)正向著清潔能源發(fā)展努力。其中地源熱泵系統(tǒng)是一種清潔的高效能源，它利用土壤中的淺層地?zé)豳Y源達(dá)到夏季制冷、冬季供熱和全年供給熱水的功能。目前，地源熱泵系統(tǒng)主要分為土壤源、地下水源、地表水海水源、污水源四種熱泵系統(tǒng)。這幾種系統(tǒng)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，比如說土壤源熱泵系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于管路與水泵用電量小，應(yīng)用廣泛且易于掌握；缺點(diǎn)是鉆井施工費(fèi)用比較高。在兩淮礦區(qū)開展地源熱泵主要就是使用這種熱泵系統(tǒng)，它是利用U形地埋管和熱泵水環(huán)路連接，通過U形地埋管換熱器與土壤進(jìn)行換熱，以達(dá)到制冷和制熱的目的。在開展地源熱泵系統(tǒng)項(xiàng)目之前先要進(jìn)行熱響應(yīng)測試，熱響應(yīng)測試技術(shù)最早是在1983年由Mogensen首次提出 ，而我國是在2000年以后才開始熱響應(yīng)測試的研究。熱響應(yīng)測試的主要內(nèi)容是對該地區(qū)土壤溫度、熱阻以及巖石熱導(dǎo)率的測定，以便評估該地區(qū)應(yīng)用地源熱泵制冷和供熱的效果。

1適用性分析

1.1兩淮礦區(qū)氣候適應(yīng)性

淮南、淮北礦區(qū)均處于冬冷夏熱地區(qū)，屬于寒溫帶溫濕氣候，季節(jié)性明顯，這種氣候特點(diǎn)決定了對制冷和供熱的雙重需求，而采用地源熱泵系統(tǒng)可以達(dá)到制冷和供熱的目的，是兩淮地區(qū)建筑空調(diào)較為理想的形式。該地區(qū)的冬季采暖室外計(jì)算溫度0.1 ℃，采暖度日數(shù)為1 792 ℃ days，采暖期約為3個月；夏季空調(diào)室外計(jì)算干、濕球溫度為35.3 ℃，28.4 ℃，空調(diào)度日數(shù)為195 ℃ days，空調(diào)期為3個月左右。兩淮礦區(qū)冷熱負(fù)荷相近，有利于土壤溫度平衡，理論上在該地區(qū)開展地源熱泵應(yīng)有較好的效果。

1.2兩淮礦區(qū)地溫分布特征

2.3加強(qiáng)宿舍管理

人為因素也是影響室內(nèi)熱環(huán)境的重要因素之一，學(xué)生們的各項(xiàng)活動都能對室內(nèi)的環(huán)境產(chǎn)生一定影響，為了改善學(xué)生居住環(huán)境，高?？梢圆扇∫韵麓胧旱谝?，規(guī)范學(xué)生的宿舍建設(shè)，在目前的高校中還存在著人數(shù)多、居住面積少的情況，由于人員的密度過大而導(dǎo)致室內(nèi)熱環(huán)境惡劣的情況一直都存在，嚴(yán)重影響了學(xué)生的生活質(zhì)量，因此，高校要根據(jù)國家頒發(fā)的相關(guān)意見來對宿舍建筑進(jìn)行合理建設(shè)，努力實(shí)現(xiàn)“四二一”目標(biāo)，逐漸改善學(xué)生的居住環(huán)境。第二，加強(qiáng)配套服務(wù)，學(xué)生的宿舍已經(jīng)由簡單的居住變?yōu)榧睢W(xué)習(xí)、娛樂為一體的建筑形式，因此必須要綜合考慮相應(yīng)的配套設(shè)施來改善學(xué)生宿舍的熱環(huán)境，部分設(shè)施要就近設(shè)置，如熱水房、超市等，若是條件允許，還可以在宿舍內(nèi)設(shè)置一些活動室，在地下層設(shè)計(jì)娛樂休閑的場所，為學(xué)生提供更好的服務(wù)，有效改善室內(nèi)熱環(huán)境。第三，保證建筑質(zhì)量，建筑的質(zhì)量對室內(nèi)的熱環(huán)境有著直接的影響，在投入使用的建筑中，很多宿舍都會出現(xiàn)如門窗邊框縫隙過大等問題，嚴(yán)重影響了室內(nèi)環(huán)境，因此，必須要保證工程的質(zhì)量，才能保證有效調(diào)節(jié)室內(nèi)的熱環(huán)境。

3結(jié)語

學(xué)生宿舍室內(nèi)熱環(huán)境是一個十分復(fù)雜的問題，其與學(xué)生的生活、自然環(huán)境有著不可分割的關(guān)系，面對高校宿舍室內(nèi)熱環(huán)境的問題，高校要給予足夠的重視，一方面要通過有效的手段對自然環(huán)境影響因素進(jìn)行處理，另一方面要通過不斷地建設(shè)完善學(xué)生宿舍的設(shè)施，讓學(xué)生能夠在更舒適的環(huán)境下生活和學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

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地溫參數(shù)是研究礦區(qū)地溫分布特征、劃分地?zé)嵯到y(tǒng)的成因類型和評價(jià)地?zé)豳Y源潛力的基礎(chǔ)。地源熱泵系統(tǒng)可以運(yùn)行實(shí)施的基礎(chǔ)條件是要有合適的地溫，周邊土壤溫度和系統(tǒng)的U形地埋管中的循環(huán)水溫度保持10 ℃的溫差有利于換熱效果。同時，土壤溫度在14 ℃～18 ℃之間既便于在夏天作為熱泵機(jī)組的冷卻系統(tǒng)，又可以在冬天作為機(jī)組的低位熱源使用。對兩淮煤田進(jìn)行6次勘探鉆孔測溫，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，測溫?cái)?shù)據(jù)見圖1。

對兩淮地區(qū)1 357個鉆孔測溫井進(jìn)行測溫研究發(fā)現(xiàn):在兩淮礦區(qū)的淺層地表面，也即0 m～100 m之間的土壤溫度大多在11 ℃～21 ℃之間。很多地區(qū)的地溫參數(shù)符合14 ℃～18 ℃區(qū)間分布，具有優(yōu)良的土壤溫度條件。再往地下深處地溫高于21 ℃，高于21 ℃地溫不利于地源熱泵系統(tǒng)的工作，地源熱泵的制冷或制熱效率都會大幅度下降?？傮w來看，在兩淮礦區(qū)的淺層地表面具有開展地源熱泵項(xiàng)目的潛力。

1.3巖土熱物性

地下埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，同時地埋管的換熱性能也是影響地源熱泵系統(tǒng)效果的關(guān)鍵，而地下埋管處巖土的熱物性參數(shù)對埋管換熱性能有著重要影響。兩淮地區(qū)地下土壤的熱導(dǎo)率測量數(shù)值發(fā)生10%的偏差時，U形地埋管的設(shè)計(jì)尺寸長度偏差為5%左右，將導(dǎo)致鉆孔總深度的變化，進(jìn)而加大了鉆孔深度，提高鉆孔成本。因此，在對兩淮礦區(qū)的巖石熱物性參數(shù)的測試數(shù)據(jù)一定要準(zhǔn)確。如果熱物性測量不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致運(yùn)行負(fù)荷和設(shè)計(jì)負(fù)荷不吻合，將不能充分發(fā)揮地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢，因此準(zhǔn)確確定地層熱物性參數(shù)對于地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì)來說至關(guān)重要。研究表明，如圖2所示兩淮礦區(qū)地層巖石熱導(dǎo)率變化范圍0.37 W/(m·K)～4.36 W/(m·K)，平均值2.54 W/(m·K)，呈高斯分布，眾值介于2 W/(m·K)～3 W/(m·K)之間。兩淮地區(qū)巖石熱導(dǎo)率不同的主導(dǎo)因素是該區(qū)的巖性，根據(jù)地層巖性比例分布不同，熱導(dǎo)率隨地層的深度變化呈先增大后略微減小。此外，礦區(qū)內(nèi)泥巖和煤的熱導(dǎo)率普遍小于砂巖。

另外，淮南和淮北礦區(qū)的巖石熱導(dǎo)率存在一定的差異,淮南煤田各種巖性熱導(dǎo)率都略大于淮北煤田；淮北煤田巖石熱導(dǎo)率呈正態(tài)分布,而淮南煤田則分布較集中,且泥巖熱導(dǎo)率的變化幅度很小。不同巖性、不同深度、不同層位和不同礦區(qū)的樣品其熱導(dǎo)率也存在著一定的差異。

2效益評價(jià)

2.1經(jīng)濟(jì)效益

在冬季供熱工況下,由于地下溫度受外界寒冷天氣影響小，土壤溫度趨于穩(wěn)定，供熱能量中的70%都來源于地能，夏季制冷工況原理也類似節(jié)能，地源熱泵系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率可以高達(dá)3.5～4.7，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣源熱泵和其他制冷供熱系統(tǒng)。常年使用地源熱泵達(dá)到的節(jié)約電費(fèi)效果顯著，冬季采暖費(fèi)用不超過13元/m2,夏季空調(diào)費(fèi)用不超過8元/m2，平均來說可以節(jié)約用戶約40%的空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用。與此同時，地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠、穩(wěn)定無聲，系統(tǒng)的維修費(fèi)和折舊費(fèi)也比一般空氣源熱泵都要小得多。表2是地源熱泵和其他制冷制熱設(shè)備在初投資和運(yùn)行費(fèi)用上面的比較。但不得不說的是地源熱泵的初期投資比傳統(tǒng)的空氣源熱泵要高，所以許多人更愿意用傳統(tǒng)的空氣源熱泵。但是，隨著人們節(jié)能環(huán)保意識不斷增強(qiáng)以及政府相關(guān)扶持政策的出臺，地源熱泵的經(jīng)濟(jì)效益也將更加凸顯。

2.2環(huán)境效益

如果在兩淮地區(qū)大量使用地源熱泵，這給當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境帶來的好處是不言而喻的。地源熱泵的污染物排放量比空氣源熱泵減少了約40%，比其他電供暖系統(tǒng)可減少約70%。兩淮地區(qū)自古是煤炭加工和出口的重要之地，每年給當(dāng)?shù)貛淼沫h(huán)境壓力也非常大，向外界輸送大量電能的同時，燃燒煤炭帶來的空氣污染，土地塌陷問題越來越嚴(yán)重。隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，兩淮礦區(qū)正在面臨著城市轉(zhuǎn)型問題，地源熱泵這種新的清潔能源也發(fā)揮著越來越重要的作用。

3結(jié)語

本文是對兩淮礦區(qū)應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)理論上的研究，結(jié)合兩淮地區(qū)氣候、地溫分布和巖石熱物性綜合分析該地區(qū)應(yīng)用地源熱泵的前景，為地源熱泵系統(tǒng)在兩淮地區(qū)開展提供理論依據(jù)，同時也為今后該地區(qū)熱響應(yīng)測試提供理論支撐。

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Research on indoor thermal environment of university dormitory★

Xu Zhengjia

(ArchitectureandCivilEngineeringSchool,WestAnhuiUniversity,Lu’an237000,China)

Key words:college dormitory, thermal environment, outdoor layout, green environment

Abstract:This paper discussed the factors influence of the indoor thermal environment of university dormitory, from the outdoor layout planning, environmental greening, dormitory management and other aspects, proposed some measures to improve the indoor thermal environment of colleges and universities, designed to create a comfortable living environment for the students, so as to ensure the student’s body and mind health.

文章編號：1009-6825(2016)14-0109-03

收稿日期：2016-03-01★：2015年安徽省大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目“蓄熱型太陽能熱泵空調(diào)設(shè)計(jì)”(項(xiàng)目編號：AH201510361168)

作者簡介：郭超(1995- )，男，在讀本科生

中圖分類號：TU833

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A