郭 超 　 胡刘军 　 汪大海 　 陈 龙

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南　232001)



两淮矿区地源热泵系统应用研究★

郭 超 胡刘军 汪大海 陈 龙

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南232001)

摘要：从两淮地区气候、地温分布和岩石热物性三方面，综合分析了地源热泵技术在该地区的适用性，并研究了地源热泵在该地区的经济环境效益，为地源热泵系统在两淮矿区的应用提供理论依据，同时也为今后该地区热响应测试提供理论支撑。

关键词：地源热泵，两淮矿区，地温，岩石热物性

0引言

随着我国能源结构的调整，以煤炭为基础能源的地区将逐渐转向发展清洁能源，位于我国中部产煤重地的两淮地区正向着清洁能源发展努力。其中地源热泵系统是一种清洁的高效能源，它利用土壤中的浅层地热资源达到夏季制冷、冬季供热和全年供给热水的功能。目前，地源热泵系统主要分为土壤源、地下水源、地表水海水源、污水源四种热泵系统。这几种系统都有各自的优缺点，比如说土壤源热泵系统，这种系统的优点在于管路与水泵用电量小，应用广泛且易于掌握；缺点是钻井施工费用比较高。在两淮矿区开展地源热泵主要就是使用这种热泵系统，它是利用U形地埋管和热泵水环路连接，通过U形地埋管换热器与土壤进行换热，以达到制冷和制热的目的。在开展地源热泵系统项目之前先要进行热响应测试，热响应测试技术最早是在1983年由Mogensen首次提出 ，而我国是在2000年以后才开始热响应测试的研究。热响应测试的主要内容是对该地区土壤温度、热阻以及岩石热导率的测定，以便评估该地区应用地源热泵制冷和供热的效果。

1适用性分析

1.1两淮矿区气候适应性

淮南、淮北矿区均处于冬冷夏热地区，属于寒温带温湿气候，季节性明显，这种气候特点决定了对制冷和供热的双重需求，而采用地源热泵系统可以达到制冷和供热的目的，是两淮地区建筑空调较为理想的形式。该地区的冬季采暖室外计算温度0.1 ℃，采暖度日数为1 792 ℃ days，采暖期约为3个月；夏季空调室外计算干、湿球温度为35.3 ℃，28.4 ℃，空调度日数为195 ℃ days，空调期为3个月左右。两淮矿区冷热负荷相近，有利于土壤温度平衡，理论上在该地区开展地源热泵应有较好的效果。

1.2两淮矿区地温分布特征

2.3加强宿舍管理

人为因素也是影响室内热环境的重要因素之一，学生们的各项活动都能对室内的环境产生一定影响，为了改善学生居住环境，高校可以采取以下措施：第一，规范学生的宿舍建设，在目前的高校中还存在着人数多、居住面积少的情况，由于人员的密度过大而导致室内热环境恶劣的情况一直都存在，严重影响了学生的生活质量，因此，高校要根据国家颁发的相关意见来对宿舍建筑进行合理建设，努力实现“四二一”目标，逐渐改善学生的居住环境。第二，加强配套服务，学生的宿舍已经由简单的居住变为集生活、学习、娱乐为一体的建筑形式，因此必须要综合考虑相应的配套设施来改善学生宿舍的热环境，部分设施要就近设置，如热水房、超市等，若是条件允许，还可以在宿舍内设置一些活动室，在地下层设计娱乐休闲的场所，为学生提供更好的服务，有效改善室内热环境。第三，保证建筑质量，建筑的质量对室内的热环境有着直接的影响，在投入使用的建筑中，很多宿舍都会出现如门窗边框缝隙过大等问题，严重影响了室内环境，因此，必须要保证工程的质量，才能保证有效调节室内的热环境。

3结语

学生宿舍室内热环境是一个十分复杂的问题，其与学生的生活、自然环境有着不可分割的关系，面对高校宿舍室内热环境的问题，高校要给予足够的重视，一方面要通过有效的手段对自然环境影响因素进行处理，另一方面要通过不断地建设完善学生宿舍的设施，让学生能够在更舒适的环境下生活和学习。

参考文献：

[1]张启宁.合肥地区高校宿舍室内热环境研究.合肥：合肥工业大学,2012.

[2]程卫红,刘元.哈尔滨某高校学生宿舍夏季室内热环境调查研究.流体机械,2015(5):79-82.

[3]何鸣.重庆某高校学生宿舍空调工况热环境研究.重庆：重庆大学,2014.

[4]郑有飞.人体舒适度及舒适指数计算.气象教育与科技,2000,54(2):7-10.

地温参数是研究矿区地温分布特征、划分地热系统的成因类型和评价地热资源潜力的基础。地源热泵系统可以运行实施的基础条件是要有合适的地温，周边土壤温度和系统的U形地埋管中的循环水温度保持10 ℃的温差有利于换热效果。同时，土壤温度在14 ℃～18 ℃之间既便于在夏天作为热泵机组的冷却系统，又可以在冬天作为机组的低位热源使用。对两淮煤田进行6次勘探钻孔测温，统计结果见表1，测温数据见图1。

对两淮地区1 357个钻孔测温井进行测温研究发现:在两淮矿区的浅层地表面，也即0 m～100 m之间的土壤温度大多在11 ℃～21 ℃之间。很多地区的地温参数符合14 ℃～18 ℃区间分布，具有优良的土壤温度条件。再往地下深处地温高于21 ℃，高于21 ℃地温不利于地源热泵系统的工作，地源热泵的制冷或制热效率都会大幅度下降。总体来看，在两淮矿区的浅层地表面具有开展地源热泵项目的潜力。

1.3岩土热物性

地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分，同时地埋管的换热性能也是影响地源热泵系统效果的关键，而地下埋管处岩土的热物性参数对埋管换热性能有着重要影响。两淮地区地下土壤的热导率测量数值发生10%的偏差时，U形地埋管的设计尺寸长度偏差为5%左右，将导致钻孔总深度的变化，进而加大了钻孔深度，提高钻孔成本。因此，在对两淮矿区的岩石热物性参数的测试数据一定要准确。如果热物性测量不准确，将导致运行负荷和设计负荷不吻合，将不能充分发挥地源热泵系统的节能优势，因此准确确定地层热物性参数对于地下换热器设计来说至关重要。研究表明，如图2所示两淮矿区地层岩石热导率变化范围0.37 W/(m·K)～4.36 W/(m·K)，平均值2.54 W/(m·K)，呈高斯分布，众值介于2 W/(m·K)～3 W/(m·K)之间。两淮地区岩石热导率不同的主导因素是该区的岩性，根据地层岩性比例分布不同，热导率随地层的深度变化呈先增大后略微减小。此外，矿区内泥岩和煤的热导率普遍小于砂岩。

另外，淮南和淮北矿区的岩石热导率存在一定的差异,淮南煤田各种岩性热导率都略大于淮北煤田；淮北煤田岩石热导率呈正态分布,而淮南煤田则分布较集中,且泥岩热导率的变化幅度很小。不同岩性、不同深度、不同层位和不同矿区的样品其热导率也存在着一定的差异。

2效益评价

2.1经济效益

在冬季供热工况下,由于地下温度受外界寒冷天气影响小，土壤温度趋于稳定，供热能量中的70%都来源于地能，夏季制冷工况原理也类似节能，地源热泵系统的能量转化效率可以高达3.5～4.7，远远高于空气源热泵和其他制冷供热系统。常年使用地源热泵达到的节约电费效果显著，冬季采暖费用不超过13元/m2,夏季空调费用不超过8元/m2，平均来说可以节约用户约40%的空调运行费用。与此同时，地源热泵系统运行安全可靠、稳定无声，系统的维修费和折旧费也比一般空气源热泵都要小得多。表2是地源热泵和其他制冷制热设备在初投资和运行费用上面的比较。但不得不说的是地源热泵的初期投资比传统的空气源热泵要高，所以许多人更愿意用传统的空气源热泵。但是，随着人们节能环保意识不断增强以及政府相关扶持政策的出台，地源热泵的经济效益也将更加凸显。

2.2环境效益

如果在两淮地区大量使用地源热泵，这给当地自然环境带来的好处是不言而喻的。地源热泵的污染物排放量比空气源热泵减少了约40%，比其他电供暖系统可减少约70%。两淮地区自古是煤炭加工和出口的重要之地，每年给当地带来的环境压力也非常大，向外界输送大量电能的同时，燃烧煤炭带来的空气污染，土地塌陷问题越来越严重。随着我国能源结构的调整，两淮矿区正在面临着城市转型问题，地源热泵这种新的清洁能源也发挥着越来越重要的作用。

3结语

本文是对两淮矿区应用地源热泵系统理论上的研究，结合两淮地区气候、地温分布和岩石热物性综合分析该地区应用地源热泵的前景，为地源热泵系统在两淮地区开展提供理论依据，同时也为今后该地区热响应测试提供理论支撑。

[1]Mogensen P.Fluid to duct wall heat transfer in duct system heat storages.Proc.Int.Conf.on Subsurface Heat Storage in Theory and Practice Stockholm,Sweden.1983:652-657.

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[3]杨丁丁，王佰顺，张翔，等.淮南煤田新区地温分布规律分析及热害防治.中国矿业,2012,21(7):94-97.

[4]徐胜平.两淮煤田地温场分布规律及其控制模式研究.淮南：安徽理工大学，2014.

[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.

文章编号：1009-6825(2016)14-0109-03

收稿日期：2016-03-01★：2015年安徽省大学生创新项目“蓄热型太阳能热泵空调设计”(项目编号：AH201510361168)

作者简介：郭超(1995- )，男，在读本科生

中图分类号：TU833

文献标识码：A