地源熱泵相變地熱可行性及影響因素分析？

　　【學員問題】地源熱泵相變地熱可行性及影響因素分析？

　　【解答】一、相變蓄能圍護結構的調(diào)溫機理

　　相變材料在其本身發(fā)生相變的過程中，可以吸收環(huán)境的熱（冷）量，并在需要時向環(huán)境放出熱（冷）量，從而達到控制四周環(huán)境溫度的目的。把相變材料與建筑圍護結構結合，制成相變蓄能圍護結構，用于建筑物室內(nèi)溫度的調(diào)控。相變蓄能圍護結構可以大大增加圍護結構的蓄熱作用，使建筑物室內(nèi)和室外之間的熱流波動幅度被減弱、作用時間被延遲[1]（見圖1），從而進步建筑物的溫度自調(diào)節(jié)能力和改善室內(nèi)環(huán)境，達到節(jié)能和舒適的目的。

　　二、相變蓄熱采熱地板的結構及工作原理

　　2.1 相變蓄熱采熱地板的結構

　　目前地板輻射供熱系統(tǒng)主要推廣的有低溫熱水和電熱電纜的低溫地板輻射采熱加蓄能。其相變蓄能采熱地板結構，加熱盤管直接置于基層的保溫層上，相變材料層填充在加熱管四周，其上為地面覆蓋層。加熱時，熱量輸送到地板的相變蓄熱材料中存儲起來，在需要時開釋為室內(nèi)采熱。

　　2.2 相變蓄熱采熱地板的工作原理

　　地源熱泵低溫熱水蓄能地板輻射采熱工作原理：利用夜間廉價電由地源熱泵系統(tǒng)從地下土壤取熱，經(jīng)電力壓縮機對循環(huán)工質(zhì)做功，從而對輻射地板系統(tǒng)提供40～50℃的低溫熱水，進進地面盤管加熱相變材料，使其產(chǎn)生相變，以潛熱形式儲存熱量，白天放出給房間供熱。

　　三、可行性分析

　　3.1 地源熱泵相變地板采熱優(yōu)缺點

　　利用地源熱泵低溫熱水加熱相變材料，使其產(chǎn)生相變，以潛熱形式儲存熱量，白天放出給房間供熱。與其他采熱相比，這種采熱方式優(yōu)點為：

　　首先，地源熱泵系統(tǒng)不直接消耗煤或燃油、自然氣等礦物燃料，沒有任何直接排放的污染物；其次，高效的地源熱泵系統(tǒng)，輸出同等量的有用能量，僅僅消耗30-60%的電功率，高效的一次能源利用率，是地源熱泵系統(tǒng)環(huán)保效果的最直接原因；再次，蓄能地板輻射采熱熱效率高，在相同的舒適條件下，室內(nèi)溫度一般比對流方式低2℃-4℃低溫傳送，而且可直接利用地源熱泵提供的40℃-50℃的低溫熱水，在熱媒傳輸過程中熱量損失小。地熱系統(tǒng)進步了室內(nèi)表面溫度，減少了四周表面對人體的冷輻射，進步了舒適感。同時，室內(nèi)溫度自下而上逐漸降低，溫度分布比較均勻，溫度梯度很小，地面溫度高于呼吸區(qū)溫度，給人以腳熱頭涼的感覺；第四，蓄能地板蓄熱量大，熱穩(wěn)定性能更好，在間歇供熱的條件下，室內(nèi)溫度變化緩慢。運行用度低于無蓄熱供熱方式。最后地板采熱輕易布置，較為理想的解決了大跨度空間散熱器難以公道布置的題目，而且其運行治理簡單省往了鍋爐與熱水管道的建設、運行治理用度，節(jié)省了鍋爐房與散熱器所占空間，沒有供熱收費難的題目。

　　相變蓄熱與地源熱泵結合，在實行峰谷電價的地區(qū)，利用夜間低谷廉價電運行，可大大降低采熱的電費開支，并緩解電網(wǎng)峰谷差；充分利用低品位熱源，符合我國節(jié)能減排的要求等等。

　　3.2 各種采熱方式的舒適性與熱損失比較

　　為了對各種供熱方式做一個相對客觀的評價，應當綜合考慮各種采熱方式的能耗（熱損失）和熱舒適性。假如以能耗和最大PPD值最低者的計分為1，能耗每超出10W增加1分，PPD值每超出5%增加1分，各采熱方式的能耗和舒適性計分列于表1，將二者相加，并根據(jù)得分的多少排序，得分少的綜合排序靠前?？梢钥闯鲆缘匕宀蔁釣樽顑?yōu)，各類墻上安裝的散熱器、熱風機和電熱吊頂并列第二，窗下安裝的采熱設備由于能耗高而排序在后，又以窗下安裝的熱風機在最后。該項研究中熱損失的具體數(shù)值參見《低溫輻射供熱與輻射供冷》中地板采熱能耗分析一節(jié)。

　　3.3 與電熱電纜蓄能地板輻射采熱的環(huán)境效益比較

　　電熱電纜蓄能地板輻射采熱中，設環(huán)境溫度t0=0℃，為保持室溫t=20℃，需要單位時間用電熱裝置（如電爐）向室內(nèi)供熱量為Q，則電能完全轉(zhuǎn)換為熱能，單從數(shù)目上看，已無節(jié)能潛力可挖。若從能量質(zhì)量方面來分析，電能的能質(zhì)系統(tǒng)即是1（即能全部轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚?，而熱量Q的能質(zhì)系統(tǒng)（1-T0/T）僅為0.068，即供能與用能的能質(zhì)相差0.932.也就是說，電能通過電爐轉(zhuǎn)換為熱量后，有93.2%的電火用退化為沒有任何作功能力的火無。這種能源浪費不是數(shù)目上的，而是能質(zhì)量作用上的浪費——將高質(zhì)量能用在低質(zhì)量能用戶上。

　　而對于地源熱泵，即是一種利用高位能把不能直接利用的低品位熱能（土壤）轉(zhuǎn)換為可以利用的高位熱能。仍設環(huán)境溫度t0=0℃，為保持室溫t=20℃，需要單位時間用地源熱泵向室內(nèi)供熱量為Q，地源熱泵COP=3.3，則需要的電能為Q/3.3，由此可見地源熱泵供熱不僅在數(shù)目上節(jié)能，而且從能量的質(zhì)的方面講，充分利用了低品位能，節(jié)省了高品位的電能。

　　四、影響因素分析

　　1）供水溫度的影響

　　在相變溫度、相變半徑、相變材料填充量及盤管間距等其他參數(shù)均取定值時，隨著供水溫度的升高，地板表面溫度增加，而且由于冬季地板表面溫度比室內(nèi)溫度高，當供水溫度升高時，地板表面輻射換熱和自然對流換熱的溫差增大，地板表面均勻熱流密度增大，相變材料的蓄熱時間縮短。但是供水溫度不宜過大，否則不僅會造成室內(nèi)溫度波動較大，其相應的能耗也會增加。

　　2）相變溫度及相變半徑的影響

　　在供水溫度、相變材料填充量及盤管間距等其他參數(shù)均取定值時，一般地，相變溫度在接近采熱溫度時效果最佳。若在此基礎上降低相變材料的相變溫度，則蓄、放熱時間縮短，室溫波動增大。反之，隨著相變溫度的升高，相變層上下表面處于相變區(qū)的時間減少，其相變材料不能完全發(fā)生相變，從而得不到充分的利用，此時，室內(nèi)溫度波動較大，室內(nèi)溫度發(fā)生較大的變化。

　　相變半徑較小時，室內(nèi)溫度變化較為平緩，室內(nèi)溫度的日均勻值也較高。隨著相變半徑的增加，室內(nèi)溫度波動增加，日均勻溫度也降低，因此應選用較小相變半徑的相變材料。

　　3）相變材料的填充量的影響

　　在供水溫度、相變溫度、相變半徑及盤管間距等其他參數(shù)均取定值時，相變蓄能地板的蓄、放熱時間隨著相變材料填充量的增加而延長。且蓄熱結束后，地板表面均勻溫度也隨相變材料填充量的增加而升高。根據(jù)實際應用分析得出，一般取相變材料厚度稍大于盤管管徑為宜。

　　4）盤管間距的影響

　　在供水溫度、相變溫度、相變半徑及相變材料填充量等其他參數(shù)均取定值時，若盤管間距小，則熱流密度增加，從而蓄熱時間縮短，但相應的放熱時間也短，因此達不到所需的放熱量，但隨著盤管間距的增加，地面溫度降低，熱流密度減少，因此對于相變地板輻射采熱，應公道選擇符合滿足相變材料達到一定蓄熱量要求同時又能保證室內(nèi)溫度的盤管間距。

　　綜上可知，各個因素的變化都會引起熱流密度的變化，從而影響蓄、放熱時間及其室內(nèi)地面溫度，空間溫度的變化，模擬了一長寬高分別為6m、3.6m、3m的房間，給出了在不同熱流密度時室內(nèi)地面溫度的變化，可以看出隨著熱流密度的增加，地面溫度增加，當熱流密度為250W/㎡時，部分地面溫度超過30℃。據(jù)一些國家對地面溫度的限制（美國29℃、法國21℃、英國24℃、德國29℃[2]）及《簡明供熱設計手冊》中：地板輻射采熱系統(tǒng)中，為保證人的舒適感，其地面溫度都有一定的限制，對于經(jīng)常有人停留的區(qū)域，地面溫度為26-32℃，因此我們需要綜合考慮個因素，使熱流密度維持在滿足人體熱舒適溫度的范圍內(nèi)。

　　五、結論

　　隨著人們環(huán)保意識和節(jié)能意識的不斷增強，在熱通空調(diào)領域?qū)で笮履茉磁c可再生能源的利用方式正在成為研究的方向。如何有效利用廣泛存在的低位熱能，節(jié)約有限高位熱能的熱泵技術越來越引起人們的重視。地源熱泵低溫蓄能地板輻射采熱系統(tǒng)既能高效地使用低品位能源地熱能作為熱源，具有節(jié)能減排的效果，又具有使室內(nèi)溫度均勻、溫度梯度小、腳部溫度高、衛(wèi)生條件高、熱舒適性好，使用壽命長等特點，因而是一種減少建筑能耗進步熱舒適性的理想采熱系統(tǒng)，同時它還受到多個因素的影響，如供、回水溫度、盤管間距、相變材料的相變溫度、相變半徑與填充量，因此對于不同地區(qū)、不同的室內(nèi)設計溫度，要綜合考慮各個因素，從而取得滿足人體熱舒適溫度的各個不同的值。其可靠性、舒適性與衛(wèi)生性已經(jīng)在諸多工程中得到了驗證，因此具有廣闊的發(fā)展遠景。

　　引言

　　建筑能耗主要由采熱和空調(diào)能耗組成。環(huán)境溫度和濕度的變化會引起室內(nèi)溫度和濕度發(fā)生變化，從而影響人的正常工作和生活以及機器的正常運轉(zhuǎn)。而公道的使用蓄能材料，不僅有助于室內(nèi)保持需要的溫度和濕度，使室內(nèi)溫濕度變化幅度減小，而且可以均衡或者部分消除采熱空調(diào)負荷，或?qū)⒏叻遑摵赊D(zhuǎn)移到低谷，降低能耗。

　　在我國，建筑能耗占總能耗的11.7%，而建筑能耗中的空調(diào)能耗高達35%，因此，冰蓄冷系統(tǒng)、地板輻射供熱系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、冷媒自然循環(huán)系統(tǒng)等節(jié)能方案的研究與應用具有重要的經(jīng)濟效益和社會效益。對于供熱系統(tǒng)，采用地板輻射采熱室內(nèi)溫度比對流散熱形式低2℃，減小了室內(nèi)外溫差，節(jié)能11.4%.而熱泵又是一種在技術和經(jīng)濟性上都有較大上風的解決供熱題目的替換手段，作為一種清潔用能手段，與直接把電能轉(zhuǎn)換為熱能的電鍋爐相比，采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的電耗僅為前者的1/3～1/4.本文立足于環(huán)保節(jié)能的角度，闡述了地源熱泵低溫熱水地板輻射采熱加蓄能技術，并作了相應的可行性分析，提出了地源熱泵低溫熱水地板輻射采熱蓄能技術具有廣闊的應用遠景。