地源热泵空调系统在工程上的应用讲座

PAGEPAGE15地源热泵空调系统在工程上的应用讲座目录一、概述1、意义2、工程采用地源热泵空调系统需解决的问题3、应用工程概况二、工程应用地源热泵空调系统的可行性1、地源热泵系统的工作原理2、地源热泵系统的组成3、地源热泵系统的特点4、地源热泵系统的埋管形式5、地源热泵系统在本工程应用的可行性三、工程设计1、设计依据2、设计参数3、地埋管地源热泵系统设计(1)、地埋管地源热泵机房系统（2）地埋管换热系统四、地埋管地源热泵空调系统经济性分析五、附图地源热泵空调系统在工程上的应用一、概述1、意义：近年来，随着我国社会经济的发展及人民生活水平的不断提高，改善建筑热舒适条件已成为一个比较突出的要求。空调作为目前改善建筑热舒适条件的工具，早已悄悄进入我们的生活。然而，随着空调设备的日益普及，建筑耗能量势必将迅猛增加，对大气环境的污染也将日趋严重。如何在建筑热舒适条件得到改善的条件下把建筑耗能量减下来，减轻对大气环境的污染，成了暖通界人士首要其冲需要解决的问题。现阶段，在保证使用功能不降低的情况下，我们应采取各种有效的技术和管理措施，把新建房屋建筑的能耗较大幅度地降下来，对原有建筑物有计划地进行节能改造，达到节省能源、保护环境和提高人民生活质量的目的。地源热泵空调系统作为一种有益环境、节约能源和经济可行的建筑物供暖及制冷新技术越来越受到关注。它是利用地下相对稳定的土壤温度，通过媒介质来获取土壤内冷（热）能量的新型装置，可一年四季方便地调节建筑内的温度。由于该制冷供热方式不存在能量形式的转换，几乎是一种能量的“搬运”过程，因而其能量转换效率高、运营成本低。地热能作为永不枯竭的清洁可再生能源，是21世纪以后人们可期待的、最有希望的能源之一，我国有丰富的地热能资源。在建筑领域，中央政府明确提出优先发展再生水（包括污水）热泵，积极发展地源热泵，适度发展地下（表）水资源。2006年1月1日实施的《中华人民共和国可再生能源法》中明确提出鼓励地热的开发利用。2、工程采用地源热泵系统需解决的问题：地源热泵系统可利用浅层地热能资源进行供热和空调，具有良好的节能与环境效益，近年来在国内得到广泛的应用。但许多工程项目在没有对当地资源状况进行充分评估的条件下，就匆匆上马，造成了地源热泵系统工作不正常，影响了地源热泵系统的使用。为确保地源热泵系统安全可靠地运行以及更好地发挥其节能效益，应在地源热泵系统方案设计前，对工程场地状况及浅层地热能资源条件进行调查及勘察，调查收集在工程场区或附近有水井的地区已有工程勘察及水井资料，调查区域宜大于拟定换热区域100`200m。调查以收集资料为主，除观察地形地貌外，应调查已有水井的位置、类型、结构、深度、地层剖面、出水量、水位、水温及水质情况，还应了解水井的用途，开采方式、年用水量及水位变化情况。还应了解工程场地可利用面积是否满足修建地表水抽水构筑物（地表水换热系统）或修建地下述抽水井和回灌井（地下水换热系统）或埋设水平或竖直地埋管换热器（地埋管换热系统）的需要，同时应满足置放和操作施工机具及埋设室外管网的需要。对于地埋管地源热泵系统方案设计之前，还应对工程场区内岩土体地质条件进行勘察，勘察内容包括岩土层的结构、岩土体热物性、岩土体温度、地下水静水位、水温、水质及分布、地下水径流方向及速度、冻土层厚度。根据调查及勘察情况，选择采用地埋管、地下水或地表水地源热泵系统。3、应用工程概况总建筑面积6528.58m2，采暖空调方式为风机盘管系统。总冷负荷为547kW，总热负荷为240kW.根据本工程实际情况及水文地质条件，按照<<地源热泵系统工程技术规范>>(GB50366-2005)的要求，本设计采用地埋管地源热泵系统为医院及附属工程提供冷热源，夏季冷媒温度:12/7℃冷水，冬季热媒温度:60/50℃热水。二、工程应用地源热泵空调系统的可行性1、地源热泵系统的工作原理地源热泵系统同水源热泵系统一样是以水或其它换热液作为冷热“媒体”，与水源热泵系统不同的是地源热泵系统通过埋设在土壤中的换热管与土壤进行热交换，冬季把土壤中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时土壤中的地能为“加热源”；夏季则把室内热量取出来，释放到地土壤中，此时土壤中的地能为“冷却源”。地源热泵系统夏季工作原理示意图地源热泵系统冬季工作原理示意图地源热泵系统同水源热泵系统一样是只应用一个硬件系统，通过在不同季节进行冷凝器和蒸发器的转换，就可以完成制冷与制热功能的转换。下面是地源热泵系统冷、热工况切换的原理图：夏季运行时，1、3、5、7阀门打开，2、4、6、8阀门关闭，为制冷工况；冬季运行时，1、3、5、7阀门关闭，2、4、6、8阀门打开，为制热工况。2、地源热泵系统的组成地源热泵冷暖空调系统由地温热交换器、热泵机组和末端系统三大部分组成。这三部分通过地温循环和末端冷暖循环两个独立的闭式循环有机的连接起来。1、地温热交换系统由埋设在地下的HDPE管（高密度聚乙烯管）、孔内填充材料和循环水泵及相关附属部件组成。循环水泵驱动HDPE（如下图）管路中的循环液体（一般为水或加入防冻剂的水溶液），使其不断循环，将地下的能量置换出作为地源热泵系统的冷热源。2、热泵机组是室外地温换热系统与室内换热系统的连接点，其通过输入一定的动力，使压缩机做功，使机组内部的制冷剂进行循环，从而将室外水源系统中的能量传送到室内换热系统中去。3、室内末端换热系统由室内循环系统、电气自控系统、室内末端系统（多为风机盘管）及相关附属部件组成。该部分的作用是将已经调节好的空气分配到建筑物中去，从而实现建筑物内的供暖和制冷。地板低温辐射采暖风机盘管地板低温辐射采暖风机盘管地温交换器水泵水泵地温交换器水泵水泵地源热泵系统的组成3、地源热泵系统的特点地埋管式的地源热泵方式，主要是在地下打孔，孔径在200毫米左右，孔深在200米以内。打完孔之后在里面下U型的换热管，管内和热泵机组间充入换热液。冬季热泵机组通过换热液和管壁从地层中直接取热，夏季向地层中放热。现代钻孔技术已能确保在任何类型的地层中钻凿换热孔，换热管材选用的也是性能稳定的高密度聚乙烯管，寿命50年以上，相关理论也是成熟的。地源热泵技术的地上部分相对来说问题不大，而关键技术还是在地下。地源热泵系统同样具有水源热泵系统的所有优点。值得一提的是，地源热泵系统更具有优势，这种系统弥补了水源热泵系统的缺陷，地源热泵系统不抽取地下水，所以不受地下水资源条件和地层结构的限制。4、地源热泵系统的埋管形式地源热泵系统室外地温换热环路（即地下热交换器）采用埋管（即埋置地下热交换器）的方式来实现，埋管方式多种多样。目前普遍采用的有垂直埋管和水平埋管两种基本的配置形式（如图所示）。水平埋管垂直埋管水平埋管是在浅层土壤中挖沟渠，将HDPE管水平的埋置于沟渠中，并填埋的施工工艺。垂直埋管是在地层中垂直钻孔，然后将地下热交换器（HDPE管）以一定的方式置于孔中，并在孔中注入填充材料的施工工艺。地下热交换器型式和结构的选取应根据实际工程以及给定的建筑场地条件来确定。水平埋管占地面积较垂直埋管大，而且水平埋管的地下热交换器受地表气候变化的影响较垂直埋管大，效率较垂直埋管低。5、地源热泵系统在本工程应用的可行性通过收集和整理该工程场区内2眼已有水井的地层资料和水文地质资料，由此可知，该场区180米以上的地层岩性主要为粘土、砂质粘土、粉质砂土、粉细砂、细砂等。而且该2眼井在不同的深度分布有多层含水层，主要含水层深度分别约为55m、85m、100m、133m、155m、170m等，其静水位约为20米深。工程场地可利用面积能满足埋设竖直地埋管换热器的需要，同时满足置放和操作施工机具及埋设室外管网的需要，该工程采用地埋管地源热泵系统是可行的。三、工程设计1、设计依据(1)、<<采暖通风与空气调节设计规范>>(GB500019-2003)(2)、<<地源热泵系统工程技术规范>>(GB50366-2005)(3)、<<建筑给水排水设计规范>>(GB50015-2003)(4)、<<建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范>>(GB50242-2002)(5)、<<通风与空调工程施工质量验收规范>>(GB50243-2002)(6)、建筑专业总平面图2、设计参数(1)、气象参数1、夏季空调室外计算干球温度：35.3℃2、夏季空调室外计算湿球温度：25.6℃3、夏季平均日较差：10.1℃4、冬季空调室外外计算干球球温度：--9℃相对湿度度60％5、冬季采暖室外外计算干球球温度：--7℃6、冬季通风室外外计算干球球温度：--3℃7、室外平均风速速：夏季2.4m/s冬季2.5m/s8、大气压力：夏夏季95.22kPa冬季96..933kkPa(2)、冷、热媒设计参参数夏季季冷媒温度:12/7℃冷水冬季季热媒温度:60/500℃热水3、地埋管地源热泵泵系统设计计由医院及及附属建筑筑施工图可知知：夏季空空调最大冷冷负荷为5547kWW，冬季采采暖最大热热负荷为2240kW。地埋管地地源热泵系系统由以下下几个方面面组成：机机房系统、地地埋管系统统、末端系系统。(1)、地埋管管地源热泵泵机房系统统考虑到效率和噪噪声问题，地埋管地源热泵机组采用涡旋式压缩机。考虑到长期稳定运行的工况条件，压缩机换热器选择套管式换热器，以防止使用板式换热器时由系统中的焊渣或换热器结垢所造成的堵塞现象。由于在地源热泵泵冬夏季长长期运行过过程中，土土壤温度会会有下降或或上升的趋趋势，因此此在设计时时需考虑一一定的设计计裕量。机机组参数按按冬季供应应室内的进进/出水温度60/550℃，夏季供供应室内的的进/出水温度7/12℃确定。综合以上几点考考虑，根据据热负荷的的大小并考考虑到管道道损失及安安装情况，设计选用DNBLSR-850-II地源热泵机组2台(其中1台预留)，单台制冷量为858kW，输入功率为174kW；单台制热量为935kW，输入功率为210kW。选用2台冷冻水循环泵（1用1备1预留），流量为150m3/h，扬程为28m，功率18.5kW，选用2台冷却水循环泵（1用1备1预留），流量为138m3/h，扬程为24m，功率15kW。考虑到由于地下下系统冬季季运行温度度可能会到到0℃或0℃以下，因因此在地下下系统中加加入乙二醇醇溶液，以以降低相变变温度，地地下系统中中乙二醇溶溶液体积分分数为15%。机房平面布置图图见附图1所示。机房管道系统图图见附图2所示（2）地埋管换热系统统1)、土壤换热热器的数量量及布置根据现场的情况况，可以布布置孔深为为120mm的换热孔孔144个，共共分A、B、C、D四个系统布置。换换热孔的孔孔径为φ150mmm，换热热孔口位于于地面2.0m深以以下，换热热孔间距5×5m。室外埋管平面布布置图见附附图3所示。埋管流程图，竖竖直管剖面面示意图，室室外埋管检检查井接管管平面图及及检查井内内分集水器器详图见附附图4所示。2)、地埋管技术参参数及施工工工艺A、主要技术参数采用抗高压的高高密度聚乙乙烯管（HDPEE100），原材材料为进口口材料，技技术参数为为：管外径径32mmm、管壁厚厚3mm、承承压能力1.6MMPa，其具有有接口稳定定可靠、抗抗应力开裂裂性好、耐耐化学腐蚀蚀性、水流流阻力小、耐耐磨性好、耐耐老化使用用寿命长（寿寿命可达50年）等等多种优点点。B、施工工艺和质量量保证措施施土壤换热器系统统是整个地地源热泵系系统的核心心和关键，其其质量的好好坏直接关关系到整个个系统能否否安全可靠地地运行。而而且工程一一旦完成，其其将不可修修复。因此此，针对地地源系统工工程的为隐隐蔽性工程程的特殊性性，应主要要从以下几几个方面来来保证工程程质量万无无一失：（1）、高密度PEE管质量方方面：a）产品出厂时要要有产品合合格证，要要有原材料料进口证明明；b）进货后，现场场分批取样样送检，并并现场对长长度、壁厚厚、外径等等进行检验验；c）合格的PE管管，要在工工厂进行管管底连接，然然后进行打打压试验；；d）货到现场，下管管前要进行行打压，并保保压1小时以上上，合格的PE管，方可可下入钻好好的换热孔孔；e）PE管下到孔底后，在在回填料之之前，再进进行二次打打压试验，合合格后方可可进行回填填料（不合合格的将该PE管提出，下下入新的合合格的PE管）。(2)、PE管管下入孔前前的技术准准备：传统统的方法是是将连接好好的PE管直接下下入换热孔孔内，PE管在下入入孔内后的的形状将不不规则，PE管之间会会发生强烈烈的换热干干扰，从而而影响整个个换热孔的的换热效率率；我公司司的做法是是在PE管下入换换热孔之前前，在PE管之间安安装专用支支架，分隔隔管材，支支架间距4米，使PE管之间具具有一定的的距离，且且尽可能紧紧靠换热孔孔的孔壁，加加强换热管管与地层的的换热效果果，减小PE管之间的的换热干扰扰。同时选选用加重管管底接头，保保持管材下下入时的垂垂度。通过过该种方法法可以确保保地下换热热管的有效效换热量。（如如图所示，左左边的为传传统的做法法，右边的的为新采用的方方法）。(3)、下管后后的填料：：填料的密密实与否直直接关系到到换热孔的的换热效率率，为了提提高填料的的密实程度度，一方面面，要严格格控制填料料的速度，沿沿孔壁四周周均匀慢速速填料，减减少因填料料过快而造造成填料在在孔内搭桥桥的机会；；另一方面面，在下入入PE管时，随随同下入一一根φ25直径的PE细管到孔孔底，在均均匀填料的的过程中沿沿细管向孔孔内注入水水或空气，边边提管边填填料，使填填料处于悬悬浮状态，均均匀下沉，从从而避免填填料在孔内内形成搭桥桥，即使形形成搭桥也也可冲开，确确保填料密密实，并边边填料边提提管。通过以上质量控控制措施，可可确保室外外换热管系系统使用寿寿命在50年以上。换换热孔通过过联络管分分区连接后后汇入机房房内。循环环液在完全全封闭的地地下管路中中流动，对对地下环境境无任何污污染。3)、埋管地面联络系系统本项目地埋管的的数量大，分分布范围广广，为确保保每一个换换热孔都能能有一定的的换热液流流过，实现现有效、高高效换热，同同时最大限限度增加系系统的安全全性，所以以地埋换热热管按同程程方式连接接，确保各各换热孔内内循环液的的流量、流流速一致。四、地埋管地源源热泵空调调系统经济济性分析1、地埋管地源热热泵空调系系统经济性性分析地埋管地源热泵泵的技术经经济性是由由多方面来来确定的，它它与利用固固体或气体体、液体燃燃料的锅炉炉房相比，显显