淺層地能熱的綜合利用

淺層地能熱的綜合利用

在太陽能輻射和地心熱的綜合作用下，土壤、砂巖和地下水的低溫?zé)崃鞔嬖谟诘貧は陆?00米表面上的熱帶中。淺層地能不是傳統(tǒng)概念的深層地?zé)?是地?zé)峥稍偕茉?但它不屬于地心熱的范疇,是太陽能的另一種表現(xiàn)形式,廣泛的存在于大地表層中,基本不受地域和氣候的影響,其溫度相對(duì)恒定,是1種非常重要的新能源。利用熱泵技術(shù)將淺層土壤中可再生的低品味能量提升為高品位能量,再適度地釋放到使用環(huán)境中,可實(shí)現(xiàn)建筑物的“三聯(lián)供”(供暖、供冷、供生活熱水),較傳統(tǒng)能源經(jīng)濟(jì)節(jié)能、清潔高效。是建筑物供暖(冷)用能源中最有發(fā)展前途的新能源。開發(fā)利用淺層地能已經(jīng)成為我國以及全世界未來供暖與制冷替代能源的首選。伴隨著我國以設(shè)施農(nóng)業(yè)為主體的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展,能源對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的影響也越來越大。節(jié)能高效已經(jīng)成為我國未來設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的主題。目前國內(nèi)外各種大型連棟溫室,包括正在全國快速發(fā)展的新型生態(tài)餐廳多采用燃煤、燃油或天然氣等傳統(tǒng)能源,鍋爐集中供暖,夏季有的還用中央空調(diào)集中制冷。由于大型農(nóng)業(yè)設(shè)施較普通建筑物所需冷熱負(fù)荷大得多,采用傳統(tǒng)能源消耗比較大,環(huán)境污染嚴(yán)重,采用中央空調(diào)制冷電能消耗大,能源利用率低;且二者的運(yùn)行費(fèi)用都比較高。1設(shè)置1次能量循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示,所述的流程由3套循環(huán)系統(tǒng)、2套能量交換系統(tǒng)及末端能量釋放系統(tǒng)構(gòu)成。地面以下20m～100m之間是1個(gè)相對(duì)恒溫層,溫度在13℃～20℃之間,此相對(duì)恒溫層溫度受季節(jié)性影響小△t=6℃～7℃,地域性影響小△t=10℃左右。用井水作為中間介質(zhì)與地下恒溫巖土進(jìn)行熱交換,以獲取巖土中能量。井水在井中與周圍恒溫巖土進(jìn)行能量交換后通過循環(huán)管道輸送到井口換熱器中,井水在井口換熱器中與循環(huán)水進(jìn)行能量交換,循環(huán)水與井水進(jìn)行能量交換之后通過管道輸送到換熱器中,進(jìn)一步提高循環(huán)水的溫度。從換熱器中出來的水通過管道直接送生態(tài)酒店或溫室等設(shè)施內(nèi)部,井水與循環(huán)水進(jìn)行能量交換之后通過管道回到井中再次與周圍恒溫巖土進(jìn)行能量交換,這樣完成1次循環(huán)。從井口換熱器中出來的循環(huán)水進(jìn)入生態(tài)酒店或溫室等設(shè)施內(nèi)機(jī)房蒸發(fā)器中,與蒸發(fā)器中低溫低壓的介質(zhì)進(jìn)行熱交換,介質(zhì)變成高溫低壓的氣態(tài)進(jìn)入加壓裝置,介質(zhì)經(jīng)過加壓裝置后變成高溫高壓的氣態(tài)進(jìn)入壓縮器中,在壓縮器中介質(zhì)與第3回路中的循環(huán)水進(jìn)行熱交換,經(jīng)過熱交換后,介質(zhì)變成低溫高壓的液態(tài)進(jìn)入減壓裝置中,第3回路循環(huán)水進(jìn)行熱交換后變成高溫液體通過循環(huán)管道進(jìn)入生態(tài)酒店或溫室等設(shè)施內(nèi)末端能量釋放裝置,將能量釋放到所需空間內(nèi)。介質(zhì)進(jìn)入加壓裝置后變成低溫低壓的液體進(jìn)入蒸發(fā)器,這樣介質(zhì)完成1次能量循環(huán)系統(tǒng)。第2回路循環(huán)水在蒸發(fā)器中介質(zhì)發(fā)生能量交換后,返回井口換熱器中,這樣第2循環(huán)水路完成1次循環(huán)。從井口換熱器中出來的循環(huán)水進(jìn)入生態(tài)酒店或溫室等設(shè)施內(nèi)機(jī)房壓縮器中,與壓縮器中高溫高壓的介質(zhì)進(jìn)行熱交換,介質(zhì)變成低溫高壓的液態(tài)進(jìn)入減壓裝置中,介質(zhì)經(jīng)過減壓裝置后變成低溫低壓的液體進(jìn)入蒸發(fā)器中,在蒸發(fā)器中介質(zhì)與第3回路中的循環(huán)水進(jìn)行能量交換,經(jīng)過能量交換后,介質(zhì)變成高溫低壓的氣態(tài)進(jìn)入加壓裝置中,第3回路循環(huán)水進(jìn)行能量交換后變成低溫液體通過循環(huán)管道進(jìn)入生態(tài)酒店或溫室等設(shè)施內(nèi)末端能量釋放裝置,將能量釋放到所需空間內(nèi)。介質(zhì)進(jìn)入加壓裝置后變成高溫高壓的氣態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器,這樣介質(zhì)完成1次能量循環(huán)系統(tǒng)。第2回路循環(huán)水在蒸發(fā)器中介質(zhì)發(fā)生能量交換后,返回井口換熱器中,這樣第2循環(huán)水路完成1次能量循環(huán)。上述系統(tǒng)經(jīng)過3個(gè)循環(huán)系統(tǒng)和2個(gè)能量交換裝置將周圍土壤中的能量傳送到所需空間中,這樣充分利用了可再生、無污染的地能。在冬季100m3/h的井水取約5℃的溫差,即可獲取0.6MW的熱量,這相當(dāng)于1t鍋爐的供熱量;在夏季用1KW的電能即可產(chǎn)生4KW的熱量,能效比達(dá)到1:4,運(yùn)行費(fèi)用相當(dāng)于普通空調(diào)的50%。由于生態(tài)酒店或溫室傳熱面積大、覆蓋材料傳熱系數(shù)大,所以能耗非常大,運(yùn)行費(fèi)用高,這也是影響生態(tài)酒店及溫室在我國發(fā)展1個(gè)主要原因,利用地源熱泵技術(shù)可以很好的解決這個(gè)問題。2三旗生態(tài)地源熱泵系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)2.1冬季使用工況能耗變化情況此次實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)西三旗生態(tài)酒店地源熱泵冬季使用狀況進(jìn)行測(cè)試,通過測(cè)試溫、濕度來檢測(cè)溫室地源熱泵冬季使用時(shí)能耗情況,并與相同情況下使用空調(diào)所需能耗做比較,通過實(shí)際檢測(cè)設(shè)施內(nèi)地源熱泵冬季節(jié)能狀況。2.2測(cè)試指標(biāo)2.2.1溫室內(nèi)、外空氣溫度;2.2.2溫室內(nèi)、外空氣濕度2.3試驗(yàn)設(shè)備和設(shè)備全自動(dòng)溫、濕度記錄儀4個(gè),干濕溫度計(jì)8個(gè)。2.4溫室主體骨架結(jié)構(gòu)溫室面積9504m2,跨度:33m,開間:8m,天溝高:7.5m,頂高:8.65m,溫室主體骨架為工字鋼結(jié)構(gòu),溫室頂部采用8mm厚拜耳索拉塔夫PC板覆蓋與100mm厚彩鋼復(fù)合板,北立面采用100mm厚彩鋼復(fù)合板,南立面采用12mm厚鋼化玻璃,東西立面采用5mm+6mm+5mm雙層中空玻璃。3數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)分析3.1冬季升溫效果此次測(cè)試主要對(duì)西三旗生態(tài)酒店室內(nèi)外溫度、濕度進(jìn)行了測(cè)試,對(duì)冬季環(huán)境下生態(tài)酒店的使用情況進(jìn)行了測(cè)試,并對(duì)地源熱泵冬季加溫與普通空調(diào)冬季加溫性能進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)條件:生態(tài)酒店正常運(yùn)行時(shí)間:10:00～24:00;由于酒店內(nèi)有熱帶植物,溫度全天必須保證在20℃左右,所以地源熱泵必須全天運(yùn)行;環(huán)境條件:陰天。3.1.1溫度記錄器的布置說明:其中※為全自動(dòng)溫、濕度記錄儀;★為手動(dòng)溫、濕度記錄器;室內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置9個(gè),平面位置見圖1,其中自動(dòng)溫、濕度記錄儀3個(gè)和手動(dòng)溫、濕度記錄器6個(gè)。室外空氣溫度測(cè)定點(diǎn)數(shù)設(shè)3點(diǎn)(布置在高度1m,周圍無遮擋物的空地),其中自動(dòng)溫、濕度記錄儀1個(gè),手動(dòng)溫、濕度記錄器2個(gè)。3.1.2日氣溫特征25試驗(yàn)從9:30開始,其中自動(dòng)記錄儀每15min測(cè)試1次,手動(dòng)溫、濕度記錄器每隔1h測(cè)試1次。測(cè)定時(shí)間如下表所示,測(cè)定結(jié)果記入表1、表2。其中:橫坐標(biāo)表示時(shí)間,縱坐標(biāo)表示溫度;系列1表示室外點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線圖,系列2、3、4點(diǎn)表示室內(nèi)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線圖。從上表可以看出1月24日室內(nèi)最高溫度為22.2℃,最低溫度為19.0℃,日較差為3.2℃;同一時(shí)刻不同點(diǎn)溫度最高相差1.5℃,出現(xiàn)在夜間23:001:00,最高點(diǎn)溫度為20.7℃,最低點(diǎn)溫度為19.2℃。1月25日室內(nèi)最高溫度為21.8℃,最低溫度為19.0℃,日較差為2.8℃;同一時(shí)刻不同點(diǎn)溫度最高相差1.5℃,出現(xiàn)在凌晨1:00,最高點(diǎn)溫度為20.9℃,最低點(diǎn)溫度為19.4℃。從以上分析知西三旗生態(tài)酒店室內(nèi)溫度分布比較均勻,且日溫度波動(dòng)較小。其中:橫坐標(biāo)表示時(shí)間,縱坐標(biāo)表示濕度;系列1表示室外點(diǎn)濕度隨時(shí)間變化曲線圖,系列2、3、4點(diǎn)表示室內(nèi)點(diǎn)濕度隨時(shí)間變化曲線圖。從上表可以看出1月24日室內(nèi)最高濕度為39%,最低溫度為24.8%,室內(nèi)日濕度較差為14.2%;同一時(shí)刻不同點(diǎn)濕度最高相差6.1%,出現(xiàn)在夜間20:00,最高點(diǎn)濕度為32.8%,最低點(diǎn)濕度為26.7%。1月25日室內(nèi)最高濕度為44.1%,最低濕度為24%,室內(nèi)日濕度較差為20.1%;同一時(shí)刻不同點(diǎn)濕度最高相差7.7%,出現(xiàn)在凌晨2:00,最高點(diǎn)濕度為39.6%,最低點(diǎn)溫度為31.9%。從以上分析知西三旗生態(tài)酒店室內(nèi)濕度分布比較均勻,但日夜?jié)穸认嗖畋容^大,且濕度偏低。3.2實(shí)際運(yùn)行測(cè)試西三旗生態(tài)酒店地源熱泵系統(tǒng)主要參數(shù)如下:主機(jī):2臺(tái),1備1用;制熱功率:1251kw,耗電量:258kw;制冷功率:1020kw,耗電量:192kw;風(fēng)機(jī)盤管331臺(tái),每臺(tái)耗電量:50W;循環(huán)水泵臺(tái),每臺(tái)功率:35kw,2臺(tái)同時(shí)運(yùn)行;潛水泵1臺(tái),功率:35kw;能耗比cop:制熱:4.85;制冷:5.32。由于生態(tài)酒店內(nèi)種有熱帶植物,故室內(nèi)溫度需全天保持在20℃左右,從上面測(cè)試的數(shù)據(jù)可以看出室內(nèi)外溫差基本保持在22℃左右,最高溫差達(dá)到26℃。通過實(shí)際測(cè)試統(tǒng)計(jì)主機(jī)運(yùn)行時(shí)間表5。通過以上分析,可以得出西三旗生態(tài)酒店地源熱泵系統(tǒng)1d運(yùn)行費(fèi)用,見表6。3.3風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)總工段相同負(fù)荷相同工況下普通水冷式空調(diào)分析:主機(jī):2臺(tái),1備1用;制熱功率:1251kw,制冷功率:1020kw,能耗比cop:制熱3.3,制冷3.4;耗電量:制熱379kw;制冷:300kw;風(fēng)機(jī)盤管331臺(tái),每臺(tái)耗電量:50W;循環(huán)水泵臺(tái),每臺(tái)功率:35kw,2臺(tái)同時(shí)運(yùn)行;潛水泵1臺(tái),功率:35kw。3.4室外溫度比cop從西三旗生態(tài)酒店熱負(fù)荷計(jì)算表格可以看出,西三旗生態(tài)酒店總熱負(fù)荷為1083kw,選用的主機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)狀況室外7℃情況下制熱負(fù)荷為1251kw,耗電功率為258kw,能耗比cop為4.85;1d運(yùn)行費(fèi)用為7972元;如果選用普通水冷空調(diào),由于實(shí)際室外溫度比標(biāo)準(zhǔn)狀況7℃要低的多,這樣能耗比即cop的值也會(huì)隨之下降,而且呈直線下降,當(dāng)室外溫度-5℃時(shí),根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果cop一般在1.5左右,如果室外溫度再下降,則使用普通空調(diào)比使用電鍋爐效果還浪費(fèi)能源(電鍋爐能耗比cop為1)。按照1個(gè)采暖季節(jié)120d計(jì)算,從上表可以看出西三旗生態(tài)酒店地源熱泵冬季運(yùn)行費(fèi)用為956640元,如使用普通空調(diào)冬季運(yùn)行費(fèi)用為1247040元;使用地源熱泵比使用普通空調(diào)冬季節(jié)約290400元,節(jié)約30.35%。3.5不同調(diào)溫系統(tǒng)投資情況對(duì)比地源熱泵系統(tǒng)同常規(guī)的燃油鍋爐加冷水機(jī)組初投資分析如表9,就西三旗生態(tài)園項(xiàng)目2種調(diào)溫系統(tǒng)投資而言,地源熱泵系統(tǒng)投資低于常規(guī)的燃油鍋爐加冷水機(jī)組投資。4應(yīng)用效果見表2通過對(duì)西三旗生態(tài)園地源熱泵項(xiàng)目理論與實(shí)際測(cè)試分析,可以看出地源熱泵系統(tǒng)相對(duì)普通中央空調(diào)機(jī)組具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。具體結(jié)論與建議如下:4.1冬季使用地源熱泵采暖比使用普通中央空調(diào)節(jié)約能耗約30%左右;4.2真正實(shí)現(xiàn)了供暖(冷)建筑使用區(qū)域的零排放,零污染;4.31套地源熱泵設(shè)備,冬季既可供暖,夏季又可制冷,并提供日常生活熱水,節(jié)約總體投資;4.4面積比較大、負(fù)荷比較大