地源热泵对城市热岛的缓解作用分析.docx

地源热泵对城市热岛的缓解作用分析

郑德利 陈焱明
摘要：近年来，城市化进程的加快和CO2浓度的不断升高，加剧了城市热岛效应。很多城市居民的生活环境已经严重受到了热岛效应的影响，建筑耗能所受的影响也比较显著。城市热岛主要是指和郊区相比，城市的气温更加高，在空间的分布上，城市的气温就像是笼罩了一个热环。城市热岛效应给人们带来了更多的不利影响：首先，气温的逐渐升高，导致了气温严重升高，尤其是夏季的气温。其次，气温的升高，导致人们在用电量和用水量上的增加，同时由于空调冷凝器的排放，导致环境的恶化。三是由于各种污染，导致环境的破坏，破坏了臭氧层，使得环境质量越来越差。本文通过阐述地热原泵对地热环境的分析，从而阐述了地热原泵经济性对城市热岛的缓解。
关键词：地热原泵；城市热岛；缓解分析
：TU984： A
前言
我国目前各大城市基本上都存在着热岛效应，随着环境的变化和臭氧层的破坏，越来越多的国家开始逐渐认识到城市惹到环境。夏天是最容易导致城市热岛效应的季节，夏天所使用的制冷器是将室内的热量通过冷凝器排除室外，导致室外的空气温度越来越高，加剧了城市化热岛效应。而地源热泵是以地表能为热源，通过输入少量的电能从而实现低品位能向高品位热能转移的热泵空调系统。其原理就是冬天通过地标来进行取热，夏天，将热量通过传送释放到地表下面，所以地热可以说是一种可再生的资源。地热作为一种绿色的可再生的资源，对于城市热岛效应的环节具有重要的意义和使用价值。
城市热岛效应
城市热岛效应是由于城市里面有大量的人工发热和建筑物等高蓄热体及其绿地面积的减少等因素，造成城市的温度过高。这种效应明显的存在城市中的气温明显要比郊区的气温高出很多。通过近地面温度图上分析可得，城市热岛就是城市内部的温度较高，郊区的温度较低，在城市中间就像是突出海面的岛屿并且这种岛屿就是代表高温的城市区域。
近年来，随着城市中人口的增多，工业化进程的不断加快，交通阻塞和大气污染比较严重，而且在城市中间大多都是高楼建筑，使得它的热容量都普遍较低，加上建筑本身对热的传导和风的阻挡能力较差，使得城市的平均气温明显高于郊区的温度。在城市的空间温度上，，城市就像是一个笼罩着热度的岛屿，从而形成城市热岛效应。热岛效应是由于人们改变城市地表而引起小气候变化的综合现象。
地源热泵系统分析
地源热泵相对于常规的空调来说，并没有直接向大气排放的冷凝热，而是通过将泠凝热排放到地下，人后通过地下的土壤或者地下水进行吸收冷凝热。地源热泵的工作原理就是通过将地热资源将低位能量转化为高位能量的过程，从而达到节能的目的。一般的来说，在冬季的时候，利用地热的温度提取热量，夏季的时候通过地下进行散热，从而解决了冬夏季采暖和空调排放热源。地下作为一种良好的储存热量的热体，实现了冬夏季的热量转换，较少了城市热岛效应的发生。
小区地热源泵的模型建立
3.1埋管群周围土壤非稳态温度场的物理模型
一般的来说，地下U型管周围的温度主要受到多方面的影响因素，地下水的分布、含水量、流动方向和土壤的热物数据等都会影响周围的温度。但是为了方便模型的建立和分析，必须要做好各个方面的假设：①土壤和地下管之间的热效应，忽略了部分地下水和管道之间的换热；②两者的接触不存在热阻；③必须要有绝缘的条件；④如果导热的系数为常数，那么就是他们的高度和土质不相同；⑤埋管、回填料、土壤和管中流体保持热物性为常数。
3．2地下温度场的住宅小区模型的确定
相对于常规的空调来说，小区的模型有了一定的变化，其主要的变化就是在边界上的变化。小区如果一旦采用地源热泵，那么就会影响建筑周围的热流，由于地源热泵的原理就是将室内的温度调节转化到地下的过程，所以地下的温度也产生了一定的变化。因此，在建立模型的时候，一定要注意埋管换热会影响到建筑群的地下温度，此外还需要考虑地下温度场的变化对周围建筑热环境的影响。
地源热泵对城市热岛的缓解分析
由于住宅的小区一般所采用的常规的空调和地热原泵的分析结果来看，地源热泵在一定程度上可以缓解城市的热岛效应。对于居民来说，这种方法可以实现节能环保，所使用的经费在一定程度上也比空调低。但是由于初期的投资经费太大，导致大量的用户在开始的时候就无法接受。所以，在实际的分析的过程中，分析数据应该直接反应出地源热泵在节能方面的优势。所分析的结果说明在一定上尤其经济优势，如果结果的经济型明显高于空调的经济性，而且同时又保证了节能和环保，这样使用地源热泵对热岛效应具有一定的环节作用，应该将此作用充分的在我国推广和应用。经济性分析的计算首先得有与之比较的对象，可以和空调比较，而比较时的评价指标主要是初投资、年运行成本、运行费用、和单位面积经营成本。以本论文所建立的小区模型来比较使用地源热泵系统和常规空调采暖系统的经济性，包括常规的空调和风冷热泵。了方便比较，均采用特灵空调系统，运行费用等情况，确定地源热泵系统是否在经济性上优于常规空调或采暖系统。
4.1主机的选择和确定
对于小区和城市中间的热岛效应的系统一般主要采取三种方式。其一，特灵地源热泵系统。主机等额选择直接关系到整个系统能否正常工作、工作效果、运行是否稳定以及长期运行经济性等关键问题。第二，特灵TRV‐Ⅱ变容量多联空调系统。第三，特灵Aquassey风冷式冷水热泵系统。具体的机型详见下表。
4.2土壤换热器的设计
土壤换热器是地源热泵系统深埋于地下的关键换热设备，其性能对系统性能和寿命影响明显，所以必须要采用化学稳定性较好、导热系数大、耐腐蚀、热膨胀性好的高密度聚乙烯管作为埋管材料。
4.3方案初投资分析
地源热泵的初投资包括了室外埋管、室内管道到终端和冷热源等。地源热泵系统同传统的空调系统的区别主要在于室外换热器，室内水风管道基本是一致的。对于一次性的投资来说，只需要对室外侧部分进行比较。
4.4运行费用的比较
三种方案设备的差异也使得每种方案空调设备功率不一样，对于多联机空调系统以及风冷热泵空调系统的功率也不相同。通过研究发现可以得出，在满足相同制冷和采暖的条件下，特灵地源热泵主机在夏季和冬季工况下，耗能总功率都低于特灵风冷热泵主机和特灵TRV‐Ⅱ多联机空调主机，充分说明了地源热泵制冷制热系数相对同规格的风冷热泵和多联机空调系统要高。
在进行对空调的电费进行统计的时候，需要使用科学的评估方法进行评估。在整个机组运行的过程中，一般都是在非满负荷工况下运行的。所以，在费用统计时，应该充分考虑到部分负荷运行工况下的耗电量统计。运行费用指系统各部分的运行费，其中包括水费、电费、污染费、管理费和一些相关的管理费用等。因为这三种在对于机组的选择上有所差异，所以在电费的使用过程中存在着明显的差异。
4.5对于经济效益的分析
城市中热岛效应的加剧主要是由于人口和城市建筑空间的不断增大，人口的活动密度直接导致导致生活排热增加。采用地源热泵系统一方面减少了空调室外机直接向空气中的排热，另一方面降低了能源消耗水平，从而减少温室气体的排放。CO2温室性气体的排放是加剧城市热岛效应关键气体，它更容易吸收长波辐射，恶化城市热环境。地源热泵能够有效的减少温室气体排放，从而控制了城市热岛效应的加剧。
结束语
通过本文中的讲解和分析可以得出，控制空气中的CO2是直接控制城市热岛效应加剧的直接因素，因此，必须从根本上减少CO2有利于减少城市热岛效应。因此，使用地源热泵，在一定基础上可以对城市热岛效应起到缓解作用，适合在我国广泛应用。
参考文献
[1]彭少麟,周有华,叶凯.城市热岛效应研究进展[J],生态环境,2005,14（4）：574-579
[2]肖荣波,欧阳志云,张兆明.城市热岛效应环境效应,生态学报,2005,25（8）
[3]周进.地源热泵对城市热岛的缓解作用分析[D].武汉科技大学,2013.

-全文完-