兩淮礦區地源熱泵系統應用研究★

郭 超 　 胡劉軍 　 汪大海 　 陳 龍

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南　232001)

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兩淮礦區地源熱泵系統應用研究★

郭 超 胡劉軍 汪大海 陳 龍

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南232001)

摘要：從兩淮地區氣候、地溫分布和巖石熱物性三方面，綜合分析了地源熱泵技術在該地區的適用性，并研究了地源熱泵在該地區的經濟環境效益，為地源熱泵系統在兩淮礦區的應用提供理論依據，同時也為今后該地區熱響應測試提供理論支撐。

關鍵詞：地源熱泵，兩淮礦區，地溫，巖石熱物性

0引言

隨著我國能源結構的調整，以煤炭為基礎能源的地區將逐漸轉向發展清潔能源，位于我國中部產煤重地的兩淮地區正向著清潔能源發展努力。其中地源熱泵系統是一種清潔的高效能源，它利用土壤中的淺層地熱資源達到夏季制冷、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。這幾種系統都有各自的優缺點，比如說土壤源熱泵系統，這種系統的優點在于管路與水泵用電量小，應用廣泛且易于掌握；缺點是鉆井施工費用比較高。在兩淮礦區開展地源熱泵主要就是使用這種熱泵系統，它是利用U形地埋管和熱泵水環路連接，通過U形地埋管換熱器與土壤進行換熱，以達到制冷和制熱的目的。在開展地源熱泵系統項目之前先要進行熱響應測試，熱響應測試技術最早是在1983年由Mogensen首次提出 ，而我國是在2000年以后才開始熱響應測試的研究。熱響應測試的主要內容是對該地區土壤溫度、熱阻以及巖石熱導率的測定，以便評估該地區應用地源熱泵制冷和供熱的效果。

1適用性分析

1.1兩淮礦區氣候適應性

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

1.2兩淮礦區地溫分布特征

2.3加強宿舍管理

人為因素也是影響室內熱環境的重要因素之一，學生們的各項活動都能對室內的環境產生一定影響，為了改善學生居住環境，高校可以采取以下措施：第一，規范學生的宿舍建設，在目前的高校中還存在著人數多、居住面積少的情況，由于人員的密度過大而導致室內熱環境惡劣的情況一直都存在，嚴重影響了學生的生活質量，因此，高校要根據國家頒發的相關意見來對宿舍建筑進行合理建設，努力實現“四二一”目標，逐漸改善學生的居住環境。第二，加強配套服務，學生的宿舍已經由簡單的居住變為集生活、學習、娛樂為一體的建筑形式，因此必須要綜合考慮相應的配套設施來改善學生宿舍的熱環境，部分設施要就近設置，如熱水房、超市等，若是條件允許，還可以在宿舍內設置一些活動室，在地下層設計娛樂休閑的場所，為學生提供更好的服務，有效改善室內熱環境。第三，保證建筑質量，建筑的質量對室內的熱環境有著直接的影響，在投入使用的建筑中，很多宿舍都會出現如門窗邊框縫隙過大等問題，嚴重影響了室內環境，因此，必須要保證工程的質量，才能保證有效調節室內的熱環境。

3結語

學生宿舍室內熱環境是一個十分復雜的問題，其與學生的生活、自然環境有著不可分割的關系，面對高校宿舍室內熱環境的問題，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境影響因素進行處理，另一方面要通過不斷地建設完善學生宿舍的設施，讓學生能夠在更舒適的環境下生活和學習。

參考文獻：

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地溫參數是研究礦區地溫分布特征、劃分地熱系統的成因類型和評價地熱資源潛力的基礎。地源熱泵系統可以運行實施的基礎條件是要有合適的地溫，周邊土壤溫度和系統的U形地埋管中的循環水溫度保持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組的冷卻系統，又可以在冬天作為機組的低位熱源使用。對兩淮煤田進行6次勘探鉆孔測溫，統計結果見表1，測溫數據見圖1。

對兩淮地區1 357個鉆孔測溫井進行測溫研究發現:在兩淮礦區的淺層地表面，也即0 m～100 m之間的土壤溫度大多在11 ℃～21 ℃之間。很多地區的地溫參數符合14 ℃～18 ℃區間分布，具有優良的土壤溫度條件。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的工作，地源熱泵的制冷或制熱效率都會大幅度下降。總體來看，在兩淮礦區的淺層地表面具有開展地源熱泵項目的潛力。

1.3巖土熱物性

地下埋管換熱器是地源熱泵系統的關鍵組成部分，同時地埋管的換熱性能也是影響地源熱泵系統效果的關鍵，而地下埋管處巖土的熱物性參數對埋管換熱性能有著重要影響。兩淮地區地下土壤的熱導率測量數值發生10%的偏差時，U形地埋管的設計尺寸長度偏差為5%左右，將導致鉆孔總深度的變化，進而加大了鉆孔深度，提高鉆孔成本。因此，在對兩淮礦區的巖石熱物性參數的測試數據一定要準確。如果熱物性測量不準確，將導致運行負荷和設計負荷不吻合，將不能充分發揮地源熱泵系統的節能優勢，因此準確確定地層熱物性參數對于地下換熱器設計來說至關重要。研究表明，如圖2所示兩淮礦區地層巖石熱導率變化范圍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。兩淮地區巖石熱導率不同的主導因素是該區的巖性，根據地層巖性比例分布不同，熱導率隨地層的深度變化呈先增大后略微減小。此外，礦區內泥巖和煤的熱導率普遍小于砂巖。

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

2效益評價

2.1經濟效益

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能，地源熱泵系統的能量轉化效率可以高達3.5～4.7，遠遠高于空氣源熱泵和其他制冷供熱系統。常年使用地源熱泵達到的節約電費效果顯著，冬季采暖費用不超過13元/m2,夏季空調費用不超過8元/m2，平均來說可以節約用戶約40%的空調運行費用。與此同時，地源熱泵系統運行安全可靠、穩定無聲，系統的維修費和折舊費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備在初投資和運行費用上面的比較。但不得不說的是地源熱泵的初期投資比傳統的空氣源熱泵要高，所以許多人更愿意用傳統的空氣源熱泵。但是，隨著人們節能環保意識不斷增強以及政府相關扶持政策的出臺，地源熱泵的經濟效益也將更加凸顯。

2.2環境效益

如果在兩淮地區大量使用地源熱泵，這給當地自然環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%，比其他電供暖系統可減少約70%。兩淮地區自古是煤炭加工和出口的重要之地，每年給當地帶來的環境壓力也非常大，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重。隨著我國能源結構的調整，兩淮礦區正在面臨著城市轉型問題，地源熱泵這種新的清潔能源也發揮著越來越重要的作用。

3結語

本文是對兩淮礦區應用地源熱泵系統理論上的研究，結合兩淮地區氣候、地溫分布和巖石熱物性綜合分析該地區應用地源熱泵的前景，為地源熱泵系統在兩淮地區開展提供理論依據，同時也為今后該地區熱響應測試提供理論支撐。

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[5]Kavanaugh S P.Field tests for ground thermal properties-methods and impact on ground-source heat pump design.ASHRAE Transactions,2000,106(1):851-855.

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年安徽省大學生創新項目“蓄熱型太陽能熱泵空調設計”(項目編號：AH201510361168)

作者簡介：郭超(1995- )，男，在讀本科生

中圖分類號：TU833

文獻標識碼：A