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关于利用土壤蓄热蓄冷的设想 [复制链接]

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hvac  
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2012-08-23
楼主    hvac 发表于: 2012-10-15 10:28:52 
这个想法起源于一个很简单的经历:20年前我到单位澡堂洗澡,有人告诉我,用的热水是一周前锅炉里烧的热水,我没有想到,锅炉保温居然能这么长时间。其实后来想想也简单,物体尺寸增加1倍,表面积4倍,体积8倍,也就是说就算保温层厚度不增加,保温能力也增加了1倍,只要尺寸足够大,保温时间是可以很长的,这种体积和表面积的规律也就是为什么货轮和客机会越做越大的原因。后来家里用起了太阳能,发现这个免费的资源并不是一个稳定的来源,即使有些人用了比实际需要大2、3倍的热水器,也不能完全避免电辅助加热的使用。当时就想如果一个楼的人都把太阳能热水器共用一个大水箱,能管一两个星期就会很好用了,当然由于管理问题这个实际上是做不到的,但是对于企业来说还是可行。

再后来听说了地源热泵,这种东西有点模仿窑洞,把地下的热量拿来用。但是且慢,窑洞冬暖夏凉是不消耗能源的,而热泵搬运热量是要消耗能量的,目前COP也就在6~8样子吧?也就是说需要消耗1/6到1/8的能量。分析下我们需要什么样的热量,无非是夏天需要冷量,冬天需要热量,还有一年4季需要洗浴的热水,后者要求的温度比较高。夏天需要的冷量和冬天需要的热量,土壤中都有,但和空气温差不是很大,不能直接用于风机盘管,以后如果毛细管空调普及了,北方和中部地区夏天可以直接用地源换热出来的冷水,少用热泵,冬季还是需要热泵。
其实夏天需要的冷量和冬天需要的热量不仅在土壤中有,空气中更有,而且更多,只不过夏天需要的冷量是在冬天的空气中,冬天需要的热量在夏天的空气中。如果我们把土壤当成一个大保温瓶,分两块分别保存热量和冷量,不就可以不用热泵了吗?那么土壤能不能保存热量达半年以上呢?答案是肯定的,以前我看到一个计算,热量在土壤中一年只能传几米,地下10米深就是恒温的了,当然这不是说蓄热蓄冷的两块需要距离这么远,我没有算,估计3米也就够了吧。

具体来说,在土壤中保存热量还是用地源热泵的技术,在土壤中埋管通水(或防冻液),冷量可以通过一个封闭的冷却塔在冬天用空气给水降温,热量不必用空气,直接太阳能水泵循环就可以了,虽然天气有可能一、两周都是阴天,但是一年下来太阳能总量还是比较稳定的。蓄热的地块可以分成多块,某一块的热量可以先换热用来提供洗浴热水,等温度降低到45度以下了,再用来提供空调热水,多块循环保证一年四季都有热水;冷量也可以这样,低温的先用来给空气除湿,高温的再用于毛细管空调。

这个方案不太适合有地下水的地方,对南方来说,由于冬季不太冷,可能需要较大的蓄冷体积,或在夏季用热泵辅助。相对于地源热泵的方案,由于土壤的温差变化大,也就是同样的体积可以提供更多的热量,因此可以用更少的占地面积和体积。整个方案用现有技术就可以实现,不需要任何有难度的新技术,也不用象地源热泵要考虑冬天和夏天热量的平衡。对于新建系统的热量来源问题,如果和建筑同步建设适当超前,建筑完成应该即已经蓄好,或者架设临时机房用热泵提供。虽然我没有计算,但是一般建筑楼顶不行再加楼面一年四季的太阳能应该能满足全年需要。对现有的地源热泵系统,也可考虑增加冷却塔在空调季之间对土壤预增温和预减温,以提高空调季的热泵COP。

为了避免对蓄热蓄冷地块附近的土壤温度产生长期的影响造成一些难以预测的后果,可以通过适当的排列比如将蓄冷地块间隔围绕蓄热地块部署使得远处土壤收到的冷热量互相抵消。或者在蓄热蓄冷地块周围埋管通水来控制抵消,较远处埋温度传感器监测地温。

设想虽好,能否大面积推广我觉得还需要寄希望于地下埋管技术的进展。地下埋管本质上只需要把很细的管埋在地下,现在却需要打井挖动大量的土,能否设想设计专用的机器人来进行埋管操作,使成本大大降低,使未来空气调节不再成为能源消耗的大户。