可再生能源有一个共同点;它们都存在于人类出现在这个星球上之前。风能、波浪能、水能、太阳能、地热能和潮汐能都是大自然的力量,大多是间歇性能源,地热是唯一一致的现象。地热可再生能源可能是第一个被人类充分利用的地方。早期文明利用这种热量做饭、烧陶器、建造浴缸和水疗中心,甚至为他们的家供暖。罗马别墅在 00 多年前就有使用天然温泉的地暖。

浅层地热资源(根据几个国家的定义,深度小于 400 米)无处不在。在 15 m 深度以下,一切都是地热。图 1显示了土壤热特性的总结。

图 1:测量的不同土壤的热特性

地面与地面热交换器中的流体之间的温差驱动热传递,因此确定地面温度很重要。温度场受地表热流和局部地面热导结构(地下水流)控制。在一些国家,所有以热能形式储存在地表下的能量都被定义为地热能。北美也使用了同样的方法。浅层资源中无处不在的热含量可以通过抽取地下水来获取,或者更常见的是通过人工循环,如钻孔换热器 (BHE) 系统。这意味着,在大多数情况下,热量提取是通过纯传导进行的。不需要地层流体。(图 2)。

图 2 钻孔式换热器 (BHE) 热泵系统在中欧家庭的典型应用,典型 BHE 长度 = 100 m

热交换器(主要是灌浆钻孔中的双 U 型管塑料管)在几乎所有类型的地质介质中都能有效工作(除了干砂或干砾石等低热导率材料)。这意味着挖掘地面作为浅热源包括:

地下水井(“开放”系统),

埋管式换热器(BHE),

卧式换热器管道(包括带有沟槽、螺旋等的紧凑型系统),以及

“地质结构”(配备热交换器的基础桩)。

这些地面耦合系统的一个共同特点是热泵,连接到低温加热系统,如地板/平板加热。它们都被称为“地源热泵”(GSHP)系统。一般来说,这些系统可以以高度灵活的方式进行定制,以满足当地不同的需求。多年来进行了实验和理论研究(现场测量活动和数值模型模拟),为 BHE 系统的设计和性能评估奠定了坚实的基础。在 80 年代,瑞典盛行 BHE 系统的理论热分析监测和模拟在瑞士进行,地面热传输的测量在德国的一个试验场进行。

在位于法兰克福/美因河畔 Sch ffengrundSchalbach 的德国测试系统中,一个 50 米的 BHE 被总共 9 个距离为 25、5 和 10 米的监测钻孔包围,深度也为 50 米。使用 24 个传感器在 2 m 垂直距离处测量每个孔和 BHE 本身的温度,从而在地下总共有 240 个观测点。这种布局允许研究 BHE 附近的温度分布。来自地表的影响在最上层约 10 m 处可见(图 1),以及供暖季节结束时 BHE 周围的温度下降。该系统的测量结果用于验证地下对流和传导热传输的数值模型。从 1986 年开始,在苏黎世附近的 Elgg 商业交付的 BHE 装置上进行了广泛的测量活动。活动的对象是一个单一的、同轴的、10 m 长的 BHE,因为它安装在单户住宅中。BHE 提供每米长度约 70 W 的峰值热功率。

地面温度结果对于长期性能具有高度信息性。大气影响在 015 m 深度范围内清晰可见,在 15 m 以下,地热热通量占主导地位。结果表明,在 BHE 周围的近场中,地面在运行的前 23 年会下降。然而,温度赤字逐年减少,直到 BHE 和地面之间建立新的稳定热平衡,温度比原来低 12 K。因此,不会发生“热崩溃”(即热提取效率突然下降)。用 Elgg 系统的数据校准数值模型后,模拟了 30 年期间的操作以及操作期结束后 25 年的热回收的外推。冬季接近 BHE 的温度在头几年迅速下降,但在接下来的几年中或多或少保持稳定。在夏季,初始温度不再达到,但温度下降逐年减少。运行结束后,在第一个春天可以看到快速的热恢复,随后由于温度梯度的降低,恢复过程放缓。在数值模拟中,只有在无限长的时间段之后才会完全恢复;尽管如此,停止运行 25 年后剩余的温度不足仅在 01 K 左右。配备 BHE 的热泵系统的长期可靠性,以及经济和生态激励措施,导致了快速的市场渗透。这是通过开发设计标准(例如,易于使用的设计工具)来实现的。

热泵

热泵的工作原理与家用冰箱相似,从一个来源提取热量并将其转移到另一个来源。热泵的一个关键成分是其盘管中的制冷剂,通常是一种称为氟利昂的物质,它在远低于水沸腾所需的 100 C 的沸点蒸发成气体。当制冷剂沸腾时,它会从液体变成气体,从周围吸收热量。当制冷剂变回液态时,它会将热量释放到周围的大气中。一个膨胀阀和一个电动压缩机控制这个从液体到气体再转换回来的过程。

地球能源 (EE) 热泵是为家庭和办公室提供空间供暖/制冷的最有效方式之一(图 3)。

图 3:地球能量预算

它在冬季将位于地表下方(或水体中)的热量转移到建筑物中,其原理与冰箱相同,从食物中提取热量并排入厨房。热泵在低温下从其来源获取热量并在较高温度下将其排出,从而使设备能够提供比提供给热泵的等效能量更多的热量。地球能源系统依赖于被土地和水吸收的 51% 的太阳能。

术语

由于对 EE 作为冷却设备的大量需求,地球能源行业使用术语“吨”来描述将提供大约 12,000 Btu 冷却能力的单位。平均而言,一个典型的 2,000 平方英尺的新住宅需要一个 4 吨重的单元才能获得足够的热量。在欧洲热泵应用的全面展开中,地耦合热泵发挥着重要作用。该开发始于 1980 年左右,当时在德国和瑞士建造了第一台 BHE 耦合热泵系统。随着石油价格危机期间安装的新装置数量增加以及随后的低点(瑞士除外),新装置的数量在 90 年代再次增加。

空气流动

EE 单元工作效率高,因为它们提供了一个小的温升,但这意味着通过地板上的寄存器的空气不像来自燃气或油炉的空气那么热。一个单元必须加热更多的空气才能为房屋提供相同数量的热量,并且管道尺寸必须大于用于燃烧炉的管道尺寸,以适应更高的 CFM(立方英尺每分钟)空气流量。EE 系统的主要优点是从地面(通过冷凝器)获得的热量远大于驱动系统各个组件所需的电能。单位的效率是提供的热能与获得该热量所消耗的电能之比,称为其性能系数(COP)。EE 单位必须超过 30(即,

土壤类型

松散的干燥土壤会捕获空气,并且对于 EE 技术所需的传热效果不如潮湿的填充土壤。每个制造商都提供有关土壤类型相对优点的规范;与优质高导电土壤相比,低导电土壤可能需要多出 50% 的回路。

辅助热

当室外空气温度降至设计平衡点以下时,EE 单元无法满足房屋内的全部供暖需求(对于尺寸为 100% 热损失的单元,这不是问题)。热量需求的差异由补充或辅助热源提供,通常是位于单元气室中的电阻元件。与踢脚线加热器一样,此辅助加热器的 COP 为 10;因此过度使用备用热量会降低系统的整体效率并增加房主的运营成本。

平衡点

EE系统完全满足室内供暖要求的室外温度称为平衡点,在北欧大部分地区通常为10°C。当室外空气温度高于此平衡点时,设备会循环打开和关闭以满足室内热量的需求。在低于该点的温度下,设备几乎连续运行,并且还打开辅助加热器(称为第二阶段加热)以满足需求。

传热流体

根据所需的性能特征,闭环装置可以在管道内循环任何经批准的流体。每个制造商必须指定任何特定装置可接受的流体,最常见的是变性乙醇或甲醇(后者未被批准使用)。

循环深度

EE 技术依靠稳定的地下(或水下)温度来有效发挥作用。在大多数情况下,循环埋得越深,效率就越高。垂直钻孔是最有效的配置,但这种类型的挖掘可能非常昂贵。

循环长度

室外回路中使用的管道数量越长,可以从地下(或水中)提取的热量越多,以传递到房屋。安装的回路少于制造商指定的数量将导致室内温度降低,并且由于系统运行时间更长以补偿需求,因此系统承受的压力更大。然而,过多的管道也会产生一系列不同的问题,以及额外的成本。每个制造商都提供了所需管道数量的规格。作为一个广泛的经验法则,EE 系统需要 400 英尺的水平回路或 300 英尺的垂直回路来为每吨单位尺寸提供热量。

循环间距

当埋环之间的距离越大时,效率越高。行业指南建议埋地回路各段之间应有 3 m(10 英尺)的距离,以使管道能够从周围的土壤中收集热量,而不会受到相邻回路的干扰。在某些条件下可以减小此间距。

环路配置

闭环通常安装在垂直或水平配置中,具体取决于可用土地和许多其他因素。地球能源接地管有两种常见的直径:075 英寸和 125 英寸。与传统直管相比,两个盘绕环(通常称为 Svec Spiral 和 Slinky)需要更少的挖沟。因此,较低的挖沟成本和财产损失的节省抵消了盘管的较高成本。

各种热泵

空调系统是空气对空气热泵的一个例子。它们变得越来越普遍,特别是因为新车通常配备空调系统,人们开始要求更可控的内部环境。然而在英国,空调的需求往往是由于不令人满意的遮阳和自然通风不良而导致的过热。由于需要额外的能源负荷,应尽一切努力设计不需要空调的建筑物。

除了空气对空气热泵外,还有空气对水热泵和水对空气系统。这些可以从井或池塘中抽水,并将用过的水排放到排放井。由于热源相当稳定(约 10 C),热泵比空对空系统更有效。水到水热泵的效率更高,它从全年温度恒定的地热供应中获取能量,并将热量传递到约 53°C。

由于热泵不会产生非常高的温度,因此它们在加热隔热良好的房屋时效果最佳,这些房屋被设计为由低温系统加热。超大尺寸的传统散热器将提供更大的散热面积,因此可以在较低的表面温度下工作。地板下的水基供暖系统是理想的,因为它们采用辐射供暖原理,可在较低温度下创造舒适的环境。

房子的供暖负荷在一年中会有很大的变化。在一年中最冷的时候,能源需求将是最大的。如果设计到这些最大负载水平,热泵的尺寸会变得非常大,因此成本很高。人们认为最好将热泵设计为仅满足年供暖需求的 50% 至 70%,并且在需求高峰期较短的情况下,提供补充的直接电加热(或替代方案)来满足这一需求。

地热系统的类型

有许多不同的方法可以使用地热能来加热建筑物:

地下水地源热泵,其中有两种变体,开环和闭环。开环地下水地源热泵直接向每个热泵供应地下水,然后将井水返回源头。由于结垢和腐蚀问题,通常不推荐使用该系统。闭环在地下水和建筑物水回路之间使用隔离板和框架热交换器。

地表水地源热泵,它使用多个由缠绕在地表水中的塑料管制成的热交换器,并连接到建筑物的热泵上。

地面热交换器 GSHP,它依赖于地面耦合热交换器,水平安装在沟槽中或作为“U”管安装在垂直孔中。

热交换器并联连接在一起,并与建筑物的水回路相连。特定设计的选择取决于可用的土地面积。表 1提供了水平/垂直配置的表面积要求指南。使用上述任何系统的决定取决于岩土/水文地质调查的结果。

排水质量

有一些环境法规规定了开环系统中使用的水如何返回地面。回水井是可以接受的,只要水返回到相同的含水层或地下水位。只要遵循一定的条件,放电坑也是可以接受的。

开放式水系统依赖于温度、流速和矿物质含量充足的水源。EE 机组在进水温度为 10°C(闭环机组为 0°C)时的效率根据国家性能标准 (CSA C446) 进行评级,但如果在进水温度较低时,效率会显着下降来自湖或井。每个型号都有指定的所需水流量,如果降低该流量,其效率就会下降。CSA 安装标准要求使用官方水井日志来量化可持续的产水量。开环系统的水必须不含许多污染物,例如氯化物和金属,这些污染物会损坏装置的热交换器。

选择地源热泵

地源热泵与传统的热泵非常相似。它们的规格与传统的水源热泵 (WSHP) 仅在以下方面有所不同:

地源热泵在很宽的水源(地面)进水温度范围内运行,通常为 °F 至 110°F,而传统的 WSHP 在非常窄的范围内(60 至 90°F)运行。这需要使用扩展范围的热泵来保持系统在低地下水温度下运行的能力。表 2给出了地源热泵水回路的典型温度范围。

以地面作为热交换器的地源热泵必须在 ARI 330 或 CSA 446 闭环条件下进行评级。地源热泵应在 ARI 325 或 CSA 446 开环条件下进行评级。传统热泵在 ARI 325 或 CSA 656 条件下额定。

地源热泵通常使用热膨胀阀,而不是 WSHP 中使用的毛细管膨胀装置。

地源热泵通常会遇到低吸入温度,因此需要指定低温/压力控制以防冻。

地源热泵通常采用较大的液体侧和空气侧热交换器和绝缘内部组件以防止内部冷凝。

在传统的 WSHP 中,环路管道不需要绝缘,因为环路温度始终保持在 45°F 以上。地源热泵系统管道需要绝缘,在某些情况下,需要防冻液来防止冻结。

指定用于闭环地源、地下水或地表水应用的热泵的铜热交换器。开放式地下水系统仅使用白铜热交换器。

在计算地源热泵的负荷时,有必要使用逐小时和逐月的模拟程序进行计算,因为这些计算将需要设计井场。

选择和预安装注意事项

地源热泵 (GSHP) 系统代表了传统水循环热泵 (WLHP) 系统的自然演变。GSHP 系统提供了 WLHP 系统的所有优点,同时大大降低了建筑运营成本。该系统的优点在于它可以在不使用单独的锅炉/熔炉和 A/C 系统的情况下进行加热和冷却。

地源热泵系统不会产生热量;它将热量从一个区域转移到另一个区域。地源热泵系统在夏季使用地面(地球、地下水或地表水)作为散热器,在冬季使用热源。该系统被认为是最节能、环保和最具成本效益的系统。在地源热泵系统的众多组件中,最重要的是热泵本身。

热泵配件和控制

热泵的注意事项:

热泵,无论是水源还是地源,都不应用于处理大量的室外空气负荷。这些室外空气负荷应通过单独的空调装置进行处理,最好具有热回收能力,并将经过调节的室外空气输送到每个热泵。

热泵尺寸非常关键。它不需要过大的热泵。一般来说,尺寸不小于 95% 以获得足够的潜热容量。除非热泵具有多速风扇/压缩机和自动调节流量的装置,否则尺寸不要超过区域峰值显冷负载的 125%。

特别注意热泵源水连接处的自动开关阀的规格,该阀与压缩机联锁,只有在完全打开后才允许压缩机运行。虽然看起来是整个系统中的一个小组件,但如果质量不好,很容易出现故障。它的故障将导致代价高昂的压缩机故障。

热泵计划必须包括供热性能的最低可接受性能系数和冷却性能的能效比,以利用市场上最高效的热泵。

地热供暖系统

地热能是一种自然资源,可与热泵配合使用,为取暖和热水提供能量。二氧化碳排放量远低于燃气锅炉或电加热系统。最初安装地热供暖比电气或燃气供暖系统更昂贵。然而,它运行起来更便宜,维护成本更低,并且比其他热源更清洁。

地表以下 2 米以下的地球温度全年保持在 10 C 相当稳定。在大约 100 米的深度,任何水或岩石的温度全年都在 12°C 左右。在这个深度储存的热量主要来自太阳,地球就像一个大型太阳能收集器。对于非常深的井,超过约 170 米,会增加来自地核的热量成分。作为近似值,每钻入地球 100 米深度,就可以增加 3°C 的热量增益。

闭环系统吸收从基岩本身获得的热量。在垂直系统中,钻出直径约 150 毫米的钻孔,深度在 32 到 180 米之间变化,但取决于能源需求。可以钻多个钻孔。将一对底部带有特殊 U 形弯组件的管道插入钻孔中,并用特殊的灌浆溶液回填管道与孔之间的空隙,使管道与岩层或地球紧密接触。流体(称为“盐水”然后通过该回路循环并被基岩加热。不同的岩石类型会产生不同的结果。在某些情况下,将进行许多钻孔(例如,在停车场上方)以为热泵供电提供充足的能量,如果地面不合适,可以铺设水平环,甚至可以铺设沟槽填充的“紧身”环,安装非常简单。然而,沟槽填充系统和水平系统比垂直系统需要更多的地面。如果附近有池塘或湖泊,则可以在池塘底部铺设闭环(需要大约2米深),或者直接将水从低位湖中抽出并重新分配湖的其他地方。

与其他供暖系统相比,热泵的运行成本可能更低,因为通过利用室外空气、地面或供水中的自由热量,它们以热量的形式回馈的能量比它们消耗的等量电能还多。例如,在加热模式下,高效的热泵可以从地球中提取能量并将其传输到建筑物中。用于驱动热泵的每 1 千瓦时电能,将产生大约 3 到 4 千瓦时的热能。在制冷模式下,热泵反向工作,热量可以从建筑物中提取并散发到地下。在加热模式下工作的热泵通过将输入 kWh 除以输出 kWh 来计算“性能系数”或“COP”。这将给出一个 COP 数字,它随输入温度而变化,是能量输入与能量输出的比率。在制冷模式下,该比率称为“能效比”或“EER”。当 EER 和 COP 比率越高时,单元的效率越高。地热/地源热泵是独立的系统。热泵机组完全安装在建筑物内,并连接到外埋的接地回路。

结论

直接膨胀 (DX) 地源热泵 (GSHP) 系统已被确定为住宅和商业建筑空间供暖和制冷的最佳可持续能源技术之一。用于建筑供暖和制冷的地源热泵可扩展到更全面的应用,可与基础桩中的地面热交换器以及太阳能集热器的季节性热能存储相结合。热泵技术可以仅用于加热,或仅用于冷却,或者是“可逆的”并根据需求用于加热和冷却。可逆热泵通常比仅加热热泵具有更低的 COP。因此,它们将导致更高的运行成本和排放,不推荐作为节能加热选择。地源热泵系统可提供 91 个。7% 的建筑总供暖需求和 553% 的生活用水供暖需求,尽管其尺寸只能满足设计供暖负荷的一半。热泵可以可靠地运行,其性能似乎至少与其规格一样好。该系统的年度绩效系数为 316。家用热泵系统可以安装在楼梯下的橱柜中,不会减少房屋的可用空间,并且外部没有明显的安装迹象(没有烟道、通风口等)。该系统的年度绩效系数为 316。家用热泵系统可以安装在楼梯下的橱柜中,不会减少房屋的可用空间,并且外部没有明显的安装迹象(没有烟道、通风口等)。该系统的年度绩效系数为 316。家用热泵系统可以安装在楼梯下的橱柜中,不会减少房屋的可用空间,并且外部没有明显的安装迹象(没有烟道、通风口等)。

通过消除集成分配泵的不必要运行,也可以提高热泵系统的性能。据估计,减少目前几乎连续运行的泵的运行时间,将使整体性能系数增加到 343。这将提高系统的经济性和环境性能。更一般地说,热泵的性能仍有改进的潜力,地源热泵的季节性效率正在达到 40。随着产量的增加,单位成本也可能会下降。相比之下,进一步提高燃气或燃油锅炉效率的空间很小。

命名法

ACH 每小时换气量

GSHP 地源热泵

HRV 热回收通风机

DC 直流

HSPF 采暖季节性能系数

SEER 季节能效比

Btu 英制热量单位

EER 能效等级

DX 直接膨胀

GS 地源

EPA 环保署

HVAC 采暖、通风和空调

DETR 环境运输和地区

部 DTI 贸易和工业部

AFUE 年度燃料利用效率等级

ARI 空调和制冷研究所

COP 性能系数 (%)

GHP 地热热泵

GL 接地回路

HP 热泵

N 每小时换气量 (ACH) (h1)

P 压力 (Pa) (kPa)

Q 热量(热能)(J)

Qc 容量(热功率)(W)