毛细管采暖技术在地源热泵系统中的应用

     一． 地源热泵技术国内外应用现状

    地源热泵技术于1912年由瑞士提出，最初在英国、美国应用，近20年在全球大规模推广应用。到2010年有43个国家安装了294万套热泵机组。中国生产的特大型单体机组已大于4000kW。装机容量居多的国家依次是：美国、中国、瑞典、挪威、德国。

    美国:自从20世纪90年代美国政府提倡地源热泵。奥巴马政府能源部长朱棣文在讲话中说，在未来几十年内，提高能源利用率与节能仍旧是最切实可行的途径。到2005年地源热泵安装已经超过100万套，每年增装速度超过25%。

    瑞典：政府对替代直接电供暖和燃油供暖的地源热泵实施财政补贴措施，制定了热泵安装资质和安全保障，对新建住宅和原有供暖系统进行改造，由于电价较低、油价较高，地源热泵运行费具有竞争优势。

    瑞士：目前有20万台热泵投入使用，每年举办热泵供暖展示活动，为热泵用户提供政策电价，提供用户培训，并对热泵质量进行认证。其中，土壤源热泵占70%，密度大，是世界上人均使用比例最高的国家。

    法国：北部和东部地区需要供暖，南部冬季需要供暖、夏季需要供冷，地源热泵应用十分广泛。

    加拿大：起步较晚，近年发展速度快，出供暖以外，用于桥面防冻、农业和水产养殖。

    日本：热泵的制造技术位于前列，年产量达到400万台。但本国应用较少，主要用于市政建设和公益项目。

    奥地利：地源热泵生产和安装技术自成体系，政府对热泵安装和环境影响评价采取了严格的发证制度。

    德国：主要由非政府组织热泵推广协会对热泵质量进行监督，并进行设备安装、运行维护的服务，市场是热泵发展的动力。

    韩国：自2004年的《新能源法案》颁布以来，地源热泵系统占据了新安装的公用建筑的60%， 到2008年8月已有550个地源热泵项目，安装公司达到397家。

    中国：具备了比较完善的开发利用浅层地热能的地源热泵工程技术、设备、监测和控制系统。

    我国的地源热泵机组在近几年开始大量应用于工程实践，据最新调查成果，应用浅层地热能进行供暖和制冷的地源热泵项目在我国已经超过2000个。建筑面积已超过1.2亿平方米。

    北京市采用浅层地热能供暖面积已经达到1700万平方米,沈阳达到3400万平方米,河北省供暖面积达到920万平方米，天津、大连、西安等城市和山东、甘肃、江苏、内蒙、吉林、江西等地区采用浅层地热能为城市建筑供暖的面积近年来迅速增加。

     二． 传统地源热泵系统组成

    以岩土体、地下水和地表水为低温热源，由水源热泵机组、浅层地热能换热系统、建筑物内系统组成的空调系统。

    制冷模式：在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。通过蒸发器内冷媒的蒸发将由风机盘管循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环同时再通过冷凝器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地水、地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过风机盘管为房间供冷。

    供暖模式: 在供暖状态下，压缩机对冷媒做功，并通过换向阀将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地表水、地下水或土壤里的热量，通过冷凝器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过蒸发器内冷媒的冷凝，由风机盘管循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，通过风机盘管向室内供暖。

     三． 毛细管产品介绍

    1． 地热收集器

    Clina生产的塑料毛细管从2002年开始成功应用于利用热泵从盐泉中收集热源，所采用的方法将收集器埋在地下1.1m至1.2m的土壤中作为“水平式集热器”。由于毛细管网栅在换热能力上的极大潜力，它相比传统的单管水平埋管技术减少了50%的铺设面积。除此之外，它还能更快的再度平衡换热器周围的土壤。

    BioClina 的地热收集器由非常纤细的毛细管平行铺设构成，一个20mm的集水管与所有细管连接。集热器可散布在地面各处，每个集热器需要16m2的面积，敷设在地下约1.2m深处。为了保证土壤的恢复热平衡，集热器上种植的植物根系不要太深。

    由于平面展开的毛细管的功能和“慢速流动原理”在土壤处达到了最佳的换热。此外，周围的土壤也能更快速的再生，因为阳光，雨水和冰雪融化给吸收式供暖设备提供足够的能量，这些能量可以转化为热量。集热器可以很灵活的安装于地基上。系统部件的安装有专业工人直接完成。

    BioClina可供选择的地暖收集器

热泵功率         地热收集器         收集器模块数量     所需面积

   2． 毛细管网栅——超薄地暖末端 

   毛细管网栅系统PK传统的地暖系统

    由图可知，热交换面积非常大，所以即使在热交换表面和室内空气之间温差非常小的情况下也能进行很大的能量交换。供热时系统内水温只需28-32°C的低温热水。

   ①  占用空间极低，最大限度提高室内举架高度和室内空间；

    • 网栅可直接安装在不同结构地面下，如瓷砖地面、木质合成地板、漆布地面、木地板面、PVC及地毯等。栅网可以灵活地安装在所需要的地方，为设计工程师提供充分的设计自由度。

    • 网栅的安装厚度小于5毫米。安装的灵活性使系统不仅适合于新建筑，还可在旧建筑中原有基础上进行安装，而不必把水泥等地面破坏(这对传统取暖设备是不可能的)。由于没有可见的暖气片或中央空调的风道把大量空气传送到建筑物各处，所以能够明显提高建筑物举架高度，最大限度的利用空间，缩小中心控制房的空间。

  ②  制热(冷)速度快 ；

    • 网栅直接铺设在地面下，加热速度非常快，只需几分钟表面温度即可达到所需要求。即使在水泥地面等很复杂结构情况下，加温时间也只是传统PEX管路地面取暖系统的1/4。在关闭取暖系统时其反映速度亦比传统地面取暖系统快。

   ③．免维修；

  • 网栅毛细管径特别细小，可通过水表面张力达到自动排气作用。

  • 网栅中流动的水是低温低压水，可有效避免高温高压带来的管路损坏。

  • 网栅中使用闭路循环纯净水，可有效避免管路中产生水垢。

    ④．高舒适度；

       由于网栅由间距很小的平行毛细管均匀分布，热辐射交换面积特别大，所以室内温度非常均匀。热/冷辐射表面基本没有温度区别。并且人体和空间的热交换主要是辐射的形式进行，这一静态制冷及自然温暖的环境使人体感到非常舒适，身体感到的温度比室温高2～3℃。这一点可以额外地达到节省能源的目的。

       ⑤．安全可靠，使用寿命长；

       • 毛细管栅网在生产中都进行了严格的质量控制和严格的测试，以确保其安全性和精密度，在每一片产品出厂前必须经过十倍于工作压力(20bar)的长时间的严格测试，具有很高的可靠性。对毛细管栅网我们有最少十年的保险做保障。

       • 在实地安装后，必须再次对系统用10bar压力进行测试，在地面下安装该系统整个过程中都需要压力测试，这样可以在现场立即发现损坏的地方，并加以解决。在整个系统全部安装完毕，还要对毛细栅网系统按照工作标准再次进行多级别的严格测试。

       • 氧气渗透对毛细网栅系统不造成问题，因为在系统里的辅助循环中采用了完全防腐蚀材料如：PP、合金钢、红铜等。并且通过合金钢热交换器与主循环隔开，所以溶于水的氧气不会导致腐蚀或郁积堵塞等现象，长时间实践证明，由PP管构成的网栅的使用寿命至少达50年之久而网栅质量保持如新。

    四． 地源热泵+毛细管采暖系统原理说明

    将上述的毛细管地热收集器代替传统的水平或垂直埋管的浅层换热系统，毛细管超薄地暖代替传统的普通地板采暖，这样就形成了利用浅层地热能与采暖节能末端相结合的有别于传统的新型地源热泵系统，其原理图如下图所示。

    需要特别指出的是，我公司已完成毛细管国产化进程，这样在工程应用中的材料成本将会有大幅度地下降，在北方严寒和寒冷地区用作冬季地板辐射供暖会有广阔的发展前景。