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1、地源热泵系统设计思考,2012年5月郭伟,地源热泵的概念，最早于1912年由瑞士的专家提出，而该技术的提出始于英、美两国。北欧国家主要偏重于冬季采暖，而美国则注重冬夏联供。由于美国的气候条件与中国很相似，因此研究美国的地源热泵应用情况，对我国地源热泵的发展有着借鉴意义。,地源热泵系统的由来,热泵是利用卡诺循环和逆卡诺循环原理转移冷量和热量的设备。热泵实质上是一种热量提升装置，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温位进行利用，而整个热泵装置所消耗的功仅为供热量的三分之一或更低，这也是热泵的节能特点。通常热泵用来进行空调制冷、采暖及产生生活热水.,热泵及其工作原理,地源热泵是
2、利用浅层地能进行供热制冷的能源利用技术，是热泵的一种.地源热泵通常是指能转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方的设备.地源热泵利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力,冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内,夏季再把地下的冷量转移到建筑物内,一个年度形成一个冷热循环。,地源热泵,地源热泵的分类按照室外换热方式不同可分为三类：1.土壤埋盘管系统2.地下水系统3.地表水系统,末端设备,末端设备,冷凝器,蒸发器,膨胀水箱,循环泵,制冷剂液体,膨胀阀,压缩机,制冷剂气体,地表,室外水井、换热孔,t=4550,t=5055,t=1015,t=57,热泵机房系统,用户（末端）系统,室外换热系统,地下水热泵系统
3、组成,地源热泵不同类型冷热源的比较,地下水与地表水系统 的问题,地下水系统过度开采地下水形成大面积地面沉降，地面塌陷频发；回灌地下水的污染；回灌地下水的能力；上海不允许开采地下水。地表水系统 生态问题；过滤问题；政策风险。,国家鼓励土壤源热泵作为建筑空调冷热源使用可再生能源法：以国家立法形式鼓励地源热泵可再生能源专项补贴：建设部每年评审并给予财政补贴(上海浦江智谷获得了1000万元补贴）地方立法：北京给予每平米50元的政府补贴沈阳市政府给予电费等优惠政策南京即将实施绿色建筑：LEED等绿色建筑认证，采用土壤源可以很经济的获得可再生能源部分满分节能减排推广技术目录：土壤源热泵为国家重点推广的节能
4、技术,国家鼓励政策及补贴情况,土壤源热泵与常规空调的比较,土建概况某剧场工程地块是一个矩形街区，红线内占地5.46公顷。由主体建筑剧院、地面露天剧场以及相应绿地景观三大功能组成。为很好地体现基地以绿为主的规划定义，剧院主体建筑的大部分都设于地面线以下。其中剧院总面积为6.5万平方米，其中地上0.8万平方米，地下5.7万平方米。剧场地上部分的设计是一个高雅的流线形建筑物漂浮于绿色的景观中，与周边和谐地融为一体。,地源热泵系统设计思路,剧院的主要空间如下，地面上为剧场观众厅、观众厅大堂和舞台主台上空空间。在观众厅的两侧安排有消防楼梯间、电梯间、强弱电室、空调机房、男女卫生间等用房。舞台侧面集中布置
5、了各类化妆间、抢妆间、小道具间及演出用房以及小排练厅。观众厅侧旁和后部还设有练功房、淋浴间、服装库、仓库等演出辅助用房。地下层主要为主台台仓上空、后台台仓和升降乐池、座椅存放、乐队休息化妆、指挥休息化妆、男女卫生间、仓库、水处理、空调机房等用房。辅助性空间还有办公室、职工餐厅、商场等。,建筑分析,空调冷热负荷,根据计算，并考虑该工程各方面的同时使用系数，本工程主体空调系统的冷负荷约为4150 kW，合 1298冷吨；热负荷约为 2560 kW。给排水生活 热水（温度不大于60）负荷1098kW。,空调系统的选择,但是,这一设计存在如下问题:1,锅炉的燃气难以落实;2,由于建筑的主要使用平面位于
6、地下,地上部分的设计 是一个高雅的流线形建筑外壳,锅炉房的位置难以解决;3,锅炉的烟囱与建筑与环境极不协调;4,冷却塔只能设于地面绿化中,将占用大量绿化面积,其噪声对露天剧场的演出有影响。根据冷热来源(土壤源换热器)的形式，地源热泵系统分土壤源热泵系统、地下水热泵系统和地表水热泵系统3种形式。根据上海市的有关规定,及剧场所处的地理位置及基地现状,应用于该项目的形式选择了土壤源热泵系统。经与业主协商，本工程的空调系统采用封闭式地源热泵中央空调系统。,地埋管换热器计算,冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。可以由下述公式计算：,地埋管换热器计算,剧场夏季空调冷负荷4,
7、150kw，冬季空调采暖负荷2,560kw，生活热水1,098kw。根据以上公式计算，夏季峰值排热量为：5187kW,冬季峰值吸热量为：2743kW。由于夏季峰值排热量大于冬季峰值吸热量。因此，地下换热器计算以根据冬季峰值吸热量计算最大取热量，夏季不足部分通过辅助冷却补充（闭式冷却塔并联）。最小钻孔数=（最大取热量/单位井深取热量/钻孔深度）1.1；辅冷散热量=最大排热量-钻孔数单位井深排热量钻孔深度/1.1。,根据业主提供的 地块地源热泵系统岩土热物性测试报告埋管深度可以到 100m.设计为80m，1#测试井（De32）单位孔深换热量为排热57.5W/m，取热45.4W/m。根据地源热泵系统
8、工程技术规范GB50366-2005（2009版），计算地下埋管系统最大释热量及最大取热量。,地埋管换热器计算,竖直地埋管换热器的设计计算,竖直地埋管换热器的设计计算,竖直地埋管换热器的设计计算,竖直地埋管换热器的设计计算,地源热泵地埋管设计,（1）本工程的地质勘测资料：,（2）根据计算，地下埋管换热器有效钻管长为 69600m。参照地质情况，需要钻80米深870口竖井满足该项目负荷要求，竖井间距4 m。（3）管材及其室外集分水器 为了保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。根据地源热泵的相关规 范要求 选择高聚乙烯HDPE管。室外检修井采用混凝土制做，集、分水器的材质为PE，集、分水器上的
9、阀门采用铜阀门或PE阀门。,（4）确定管径目前市场上成熟的地埋管换热器类型主要为 De25 双U 井和De32 单U 井。常用的 De25 双U 井造价大约比常用的De32 单U 井高10%左右。根据建设方提供的地块地源热泵系统岩土热物性测试报告，De25 双U 井单位井深换热量比De32 单U 井高10.4%，因此两者性价比相差不大。根据竖直地埋管设计计算，双 U 井的孔间距至少达到4.5m，才能达到4m间距的单U 井110.4%的换热量。因此，相同总换热量的前提下，双U 井系统的埋管面积需比单U 井系统至少大14.6%。在本项目中，在De25 双U 井系统和De32 单U 井系统两者成本和
10、换热性能相差不大的情况下，选择较小占地面积的地埋管换热器类型应成为选取地埋管换热器类型主要因素。综上所述，本工程推荐De32 单U 井系统。,水力计算加大流速可以增强换热，但过快的流速会增大管道沿程阻力损失，增大水泵的用电消耗。根据地埋管换热器的布置形式和采用的换热液特征，应使换热液处于紊流状态，流态形式主要通过雷诺数Re来进行判断：Re4000为紊流实际工程中确定管径必须满足两个要求：（a）管道要大到足够保持最小输送功率；（b）管道要小到足够使管道内保持紊流（流体的雷诺数Re达到3,000以上）以保证流体与管道内壁之间的传热。内径小于50mm，管内流速0.61.2m/s内径大于50mm，管内
11、流速小于1.8m/s一般并联环路用小管径，集管用大管径，该项目地下热交换器埋管采用外径为32mm，集管采用40mm、50mm、63mm，各管段压力损失控制在3.5mH2O/100m当量长度以下。,该部分的深化设计由负责制按的分包商进行。,埋管总平面图,。,集分水器室外地埋系统图,室内部分的末端用户装置设计,末端用户装置的选择末端用户装置的形式有两种，一种采用大型水/水热泵机组，产生空调冷冻水与空调热水，通过空调冷热水系统输送到风机盘管与空调箱；一种采用水/空气热泵机组，从原理上看,就是传统的水环热泵空调系统的变种,用地源热交换系统(土壤源换热器)取代传统的水环热泵空调系统的闭式冷却塔,锅炉与热
12、交换器。第一种形式空调冷冻水与空调热水的机组分别设置，需要的机房面积较大；空调冷冻水与空调热水系统也分别设置，对建筑物的层高要求大；如前所述，剧院主体建筑的大部分都设于地面线以下，地面以上的高度已经固定，地面以下的深度越大，建筑的造价越高。本工程选用第二种形式，需要的机房面积较小；水系统为二管制冷却水系统，保温可参照冷凝水管的厚度，比四管制系统对层高的要求低；能够有效适应本工程各个区域的空调需求。,室内部分水系统 室外水管合并成十送十排二十根水管，由-4.65处进入室内。进入室内后管材改用无缝钢管，分别接入集水器与分水器。集水器接管处设平衡阀。设定压闭式膨胀水箱，置于冷冻机房内。空调水系统采用
13、化学水处理。水泵 地埋管换热冷却水系统设水泵四台（三用一备），流量：160 m3/h，扬程：45mH2o,功率：30 kW。生活热水 采用一台制热量为935 kW的地源热泵机组，最高制热水温度65。大厅地采暖 另设制热量为52 kW的地源热泵机组一台，45 供水，40 回水，供入口大厅地采暖用。配水泵二台（一用一备），流量：9 m3/h，扬程：10mH2o,功率：1.1 kW。,空调风系统,1.观众厅：全空气系统，组合式地源热泵空调机组，采用单风机,直接蒸发式表冷器，高温冷媒管再热，利用压缩机把低温低压冷媒蒸气压缩成的高温高压冷媒蒸气，通过在压缩机排气管与四通阀之间的旁通管对处理后的空调出风进
14、行再热，这样既避免了二次回风接管复杂，需增设二次回风过滤段造成机组体积庞大的弊端，又有效的利用了冷媒蒸气的高位热源，提高了出风温度，起到了节能的效果;送风方式:池座,下送;楼座,下送及侧送;包厢,小型分体式地源热泵空调机组;观众厅上部回风。观众厅上部回风管兼作排烟管。并在顶部特别是面光室、追光室上温度较高处设排风设施。,观众厅夏季空调焓湿图,2.舞台主台：全空气系统，大型整体式地源热泵空调机组;送风方式为下送和侧送风，下部与上部均设回风，上部设排风兼排烟。3.舞台侧台:全空气系统，大型整体式地源热泵空调机组;送风方式为下送和侧下送风，侧台下部回风，上部设排烟。4.舞台后台:全空气系统，大型整体
15、式地源热泵空调机组;送风方式为下送和侧下送风，后台下部回风，上部设排烟。5.舞台台仓:小型整体式地源热泵空调机组；上部设排烟，6次/时计算排烟量，另设补风。,6.排练厅：全空气系统，大型整体式地源热泵空调机组，设温控旋流风口向下送风，上部回风，回风管兼作排烟管。7.观众入口大厅：全空气系统，大型整体式地源热泵空调机组；-7.5m地板喷口上送风，0.00处风口侧下送，并地板喷口上送风，正面喷口侧送，机房回风口回风。另设地板热水加热的辅助采暖方式。8.餐厅等大空间公共用房采用大型整体式地源热泵空调机组，全空气系统，气流组织拟上送下回或上送上回。9.小会议室、办公用房及化妆间等采用小型分体或整体式地
16、源热泵空调机组加新风的系统，便于室温独立控制。并配置相应的排风系统，保持新风和排风平衡。10.特殊储藏室设地源恒温恒湿空调机组。11.消防中心、安保中心、硅控室、光控室、舞台机械电话机房及电梯机房等采用小型分体或整体式地源热泵空调机组。,热平衡分析与运行策略,上海市全年的室外大气温度分布，图1为上海市各月的平均室外干球温度分布图，图2为全年室外干球温度分布图，图3和图4分别为最热月和最冷月的室外干球温度分布。,图1 上海市各月平均室外干球温度分布,图3 最热月室外干球温度分布,图2 上海市全年室外干球温度分布,图4 最冷月室外干球温度分布,由以上各图可以看出，上海地区属于“夏热冬冷”地区，近几
17、年最热月平均气温已达30.2，最冷月平均气温为4.2。高于35的酷热天气长达半个月至一个月，日平均温度低于5的天数长达两个月以上。由此可见，由于外界气候条件存在较大的波动情况，且气候条件在空调运行期间大都偏离机组高效运行所需要的工况参数，因此这种气候条件必将导致传统空调设备的运行存在工况不稳定、高于标准工况、机组产冷产热量降低、系统耗电量增加的不利局面。,热泵运行时间：夏季各运行四个月，冬季运行四个月，考虑同时使用系数，根据前文中式一，式二可得结论：一年采暖期内的设计总热负荷（包括生活热水）为2909706kW.h；一年空调期内的设计总冷负荷为3283474kW.h；冬季从土壤吸收的热量为21
18、82280 kW.h；夏季排放的热量为4084321 kW.h,区域与周围土壤、上方大气的换热，这部分做了简化处理，在空调季和取暖季间不考虑这部分换热量，每年空调系统的冷热不平衡可以通过冷却塔排放热量，可以保持全年的热平衡。,节能分析,根据上海地区不同深度处的温度测试显示，随着地层深度的增加，底层温度出现上升趋势，在-40m和-80米处地温分别约为18.8和20.2。此种温度对于夏季冷凝、冬季蒸发而言，存在巨大的节能效益，这种效益可从如下分析中很明显的看出。首先设定几个工况，以进行制冷量、耗功率的比较，为了简化计算，此处以基本理论循环进行计算比较。,工况设定表,各工况下的制冷量、冷凝热量和耗功
19、率表,对上表中各值，可以看出，当冷凝温度升高时，系统耗工量将增大，加幅度约为2.98 kJ/kg/5，即每升高1，耗功量约增加1.25；当冷凝温度降低时，系统耗工量将减少，降幅约为3.08 kJ/kg/5，即每降低1，耗功量约减少1.29%；当蒸发温度降低时，系统制冷量减少，耗功率增加，增加幅度约为3.27 kJ/kg/5，即每降低1，耗功量约增加1.37%；当蒸发温度升高时，系统制冷量增加，耗功率降低，降幅约为3.3 kJ/kg/5，即每升高1，耗功量约降低1.38%。由此可见，夏季系统冷凝温度、冬季系统蒸发温度的变化范围，对于系统的产冷、产热量以及系统的耗电量均有着较大影响。而对比上海地区
20、气温波动值和地温波动值，夏季地层温度比室外气温低约815，而冬季地层温度又比室外气温高约10-15，因此，其全年节能潜力至少在30以上。由此可见，上海地区对于浅层地热资源在建筑空调系统中的应用具有较好的适应性和较大的节能效益。,浅层地热能论与蓄热层论,浅层地热能观点认为：蕴藏在地下岩土层含水土的恒温带(地下20-200 m)中热量与温度是一种资源，简称为“浅层地热能”或“浅层地温能”，为地源热泵系统提供了“热量”、“冷量”与“能源”；蓄热层论观点认为：地下岩土层含水层在地源热泵系统中仅仅是起到一种“蓄热层”的作用。它的设计原则是必须保持夏季向地下释放的冷凝热与冬季从地下吸取的热量相等，根本不需
21、要利用地下任何其它热量，更谈不上要利用任何“浅层地热能”或“浅层地温能”。地源热泵从本质上、原理上讲是一种“废热利用”。,地源热泵系统的优点当地源热泵工程的冬季从地下累计取热量和夏季向地下累计放热量基本相等时，地源热泵系统可以不设任何冷却塔与辅助加热设备，从而减少了保养费用和改善了建筑的外立面美观；充分利用了夏季制冷时的冷凝热，储存于地下，有效地减轻了城市的夏季热岛效应，同时也便于提供全年的生活热水；一年四季地下的环境参数均较空气温度变化适宜的范围内变化，其夏季的制冷效率EER与冬季的制热效率COP都相应要比空气源热泵系统髙2040；,地源热泵系统的缺点初投资髙，因为地下钻井打眼埋管和打井都需
22、要高额的工程建设费，尤其是在现场地质水文条件恶劣的情况下更为突出。在有一些工程中，其地下钻眼埋管或打井费用甚至和地上空调系统的建设费用相接近；地源热泵系统的全年供冷供热性能与经济性强烈依赖于建筑的冷、热负荷计算，设备选用，和地下埋管或水井设计计算与施工。精心设计与精心施工的工程和粗制滥造的工程，无论在性能上、在初投资上、还是运行费用上、及使用寿命上都会有成倍的差别；目前，无论国内或国际水平而言，人们对于地下岩土层与含水层中的传热，蓄热，以及热、质交换与迁移的规律的研究相对还是比较少和不够成熟，不一致、不统一的地方还是比较多，有时同一工程由不同的人进行设计，其差异性可能较大；就目前国内熟悉地源热
23、泵系统的合格设计者而言，其数量有限。目前国内有经验的、合格的承包商不多。,全年地下恒温带温度处于1020 C的地域；具有经济打井的地质条件和拥有合适浅层地下水资源的地域；全年向地下总排热量和总取热量相等或接近的供热供冷工程，否则就需采用一些工程的辅助与补救措施；夏季供冷温度不低于5 C，冬季供热温度不高于60 C的工程；,地源热泵系统的适用条件,监测井与监测点的布设和系统大小的关系；传感器的选用要求：稳定性、精确度与准确度，以及其二次仪表的正确选配；监测井的施工与传感器的安装要求；监测系统的验收；传感器的定期标定与监测系统的定期检验。,地源热泵系统的监测,目前，工程中出现了利用建筑现有桩基埋设
24、换热器的实例。在工程桩中埋设换热器，可以减少系统的初投资，使地源热泵能够得到更普遍的使用。利用建筑本身的桩基，在桩基中埋入U型或W型土壤换热器，节省了埋设土壤换热器所需的打井费用，同时节省了占地面积,灌注桩土壤换热器值得考虑,世博轴灌注桩土壤源热泵项目,工程桩内埋设换热器,土壤源换热器埋管方式,武昌对工程桩内埋设大直径螺旋盘管换热器和W型换热器的形式进行多次试验，埋设W型换热器一次试验成功，两次埋设大直径螺旋盘管换热器的试验均失败，分析失败原因主要是试验桩深45m，存在桩位偏差，工程桩在放下导管和用导管捣固混凝土时极易撞断捆扎在钢筋网架内侧的HDPE100塑料管，虽然设计考虑了在钢筋网架内设置
25、井字型导管舱保护塑料管，但吊装20m钢筋网架易变形，且旋喷钻孔桩成孔速度快，泥浆护壁质量不高，易造成塌孔，强行放下的钢筋网架内的导管舱中心存在偏差，造成导管放下失败。故工程桩内埋设换热器设计采用W型换热器。,埋地换热器内部温度分布,埋地换热器内部温度模拟如图所示，可以看出管间距对温度变化的影响，上图为间距52mm，下图间距72mm，为了防止供回水管间的热干扰，管间距应选择适宜长度。,桩基式地源热泵土壤温度年变化,桩基式地源热泵土壤温度年变化,桩基式地源热泵土壤温度年变化,管群中心区域热堆积较显著，模拟单管换热量为50W/m的情况，经过一年的运行，温度升高为1.3度左右。,模拟土壤温度测点布置图
26、,桩基式地源热泵土壤温度年变化,红色为距离换热器最近点其温度波动随水温的变化波动最大；黑色为距离换热器最远点其温度变化滞后于水温变化,国内土壤源换热器试验研究,武昌某工地测试井研究,杭州某工地测试井研究,武昌站某工地测试井研究,南京朗诗国际街区测试井研究,土壤源换热器试验研究,武昌某工地测试井研究,试验井埋管的施工和安装数据,土壤源换热器试验研究,武昌某工地测试井研究,试验井埋管垂直段的释热量分析,试验井埋管垂直段的吸热量分析,试验研究发现，W型井埋管在深度相差5m的情况下比单U型井埋管散热能力约大20%以上，取热能力约大25%以上。,土壤源换热器试验研究,杭州某工地测试井研究,试验井埋管的施
27、工和安装数据,土壤源换热器试验研究,杭州某工地测试井研究,试验井埋管垂直段的释热量分析,试验井埋管垂直段的吸热量分析,试验研究发现，回填材料混凝土的传热性能优于水泥浆膨润土。其单位散热能力增大30左右，取热能力增大27左右。,土壤源换热器试验研究,武昌站某工地测试井研究,试验井埋管的施工和安装数据,土壤源换热器试验研究,武昌站某工地测试井研究,试验井埋管垂直段的释热量分析,土壤源换热器试验研究,武昌站某工地测试井研究,试验井埋管垂直段的吸热量分析,试验研究发现，管径相同，流量相当的情况下，双U型埋管可以增大取热量的散热量约20%，灌注桩的取散热量与单U型埋管基本接近。,由于武昌站的测试时间短，试验结果与杭州相差很大，偏差与试验方法有关，试验结果仅供设计参考。本工程土壤源换热器传热能力采用距于武昌站3.5km处某工地的测试数据，并用杭州工程桩的试验研究结果进行修正，这样的结果偏于安全。,传热能力表,
