地源热泵设计方案及运行费用分析实例

地源热泵设计方案及运行费用分析实例时间:2006-2-199:24:58作者:天津大学机械工程学院热能工程系朱强汪健生浏览次数:4666摘要：本文对津晋高速公路津港收费站地源热泵系统的设计进行了分析与计算，并对系统的实际运行费用进行了分析。与以空气作为热源的一般空调器在相同的供热、供冷负荷下运行相比，地源热泵系统具有显著的节能效果。关键词：热泵供热制冷引言地源热泵作为热泵技术应用的一个新的分支，由于其节能和优越的环保性能，近年来正在得到广泛的应用。地源热泵是利用土壤的良好蓄热及蓄冷特性进行的热力学逆循环的一种工程应用；在冬季供热时，热泵系统通过预埋在地下的管道将储存在地下的热通过传热介质吸收，作为逆循环中的低温热源，由热泵完成逆循环并向热用户提供热量；在夏季供冷时，利用地下环境温度较低的特点使制冷系统中的冷凝温度降低，从而提高系统的制冷系数，与冷凝器直接与空气环境进行热交换的普通空调器制冷相比，有一定的节能效果。由于地源热泵系统在运行工作过程中除驱动热泵的动力外，无需其他热源或动力，而驱动热泵的动力主要是电能。因此，如不考虑电能的来源，地源热泵系统是城市供热及供冷的一种清洁能源，它不需要建立一般城市供热所需的锅炉房，同样也不存在由于燃料燃烧（燃煤、燃油）而带来的城市环境污染问题，可以实现冷热联供。此外，在实际使用中，对于一些受客观条件限制而无法采用其他供热、供冷方式的场所，如高速公路收费站、人员设备相对较少的科考站、边防哨所，地源热泵则更体现出其特有的优越性；基于以上特点，本文对津港高速公路收费站地源热泵系统的设计及实际运行效果进行了系统分析。一、地源热泵系统负荷计算1．1热泵系统负荷计算津晋高速公路天津段自天津起至大港，全长35公里，建有三个收费站。津港收费站包括综合楼、综合楼附属用房及7个收费亭。其中综合楼建筑面积为744m2；综合楼附属餐厅为80m2；7个收费亭合计建筑面积47m2；津港收费站合计总建筑面积为871m2。根据天津气候条件及收费站建筑物的土建围护结构，本设计采用了ASHRAE推荐提供的CLF冷负荷系数法计算收费站建筑负荷；地源热泵系统在制冷工况时，蒸发器温度为7～12℃，冷凝器温度为30～35℃，室内温度25℃。其中收费站综合楼和附属用房的供冷负荷为120W／m2，收费亭供冷负荷为220W／m2。据此，津港收费站供冷最大负荷合计为113KW，津港收费站埋地换热器放热最大负荷合计为146KW。热负荷计算，本设计采用了ASHRAE推荐提供的方法计算收费站建筑热负荷，地源热泵系统在制热工况时，冷凝器温度为45～50℃，蒸发器温度为2～6℃，室内温度为18℃。其中收费站综合楼和附属用房的供热负荷为100w／m2，收费亭供负荷为120W／m2。由此可以计算出津港收费站最大供热负荷为92KW。1．2室内末端系统设计津港收费站需要供热、制冷的房间位置相对比较集中，功能比较单一。根据津港收费站现场的实际情况，地源热泵系统为集中空调系统，附属用房单独设计热泵机房，室内末端系统设计采用风机盘管系统，以达到每个房间要求的空调温度。1．3室外埋管系统设计根据该建筑的实际情况设计地源热泵系统应以达到夏季制冷、冬季供热的要求，津港高速公路收费站地源热泵系统的室外埋管系统采用垂直U型埋管方式。根据埋地换热器放热最大负荷计算，采用垂直U型埋管方式需打井45口，井深100米。室外垂直埋管占地面积最小需要300平米，收费站的实际占地面积完全可以满足施工要求。此外，在埋管场地上还可建停车场、装饰或植树绿化等设施；对地面实际有效使用面积并无影响。地源热泵系统工作简图如图1所示，冬季供热和夏季供冷时，地源热泵系统通过控制四通阀可以实现冬、夏两季不同工况的转换。二、津港收费站地源热泵空调系统运行费用夏季空调运行100天，每天24小时运行。冬季空调运行120天，每天24小时运行。室内空调循环水泵功率为3KW，室外空调循环水泵3KW，热泵机组两台，单台机组电功率13．3KW，运行系数0．49，根据有关实际运行情况及室内外参数情况，对系统在冬、夏两季的耗电量和运行费用进行了分析计算，结果如表1所示。电价计算时按峰、谷、平计算，其中：峰电价：0．8933（元／kw·h），时间：8：00～11：0018：00～23：00谷电价：0．2873（元／kw·h），时间：23：00～7：00平电价：0．5793（元/kw·h)，时间：11：00～18：007：00～8：00根据现场实测数据，地源热泵系统在夏季制冷工况工作时，Cop=4．50；在冬季供热工况工作时，Cop=4．1。在同样的供热和制冷负荷条件下，如采用普通的空调器进行冬季供热和夏季制冷，其中在供热工况时，普通空调器的性能系数为2．2，而在制冷工况时，制冷系数为2．9，在此条件下，运行费用为：冬季供热：71057元，夏季制冷55175元；全年共计126232元。与此相比，地源热泵可节约费用约63％。三、结论通过对津晋津高速公路津港收费站地源热泵系统的分析，本文得出以下结论：1．由于采用了地下埋管换热器，使地源热泵系统在冬季供热时的COP值增加，本文实测可达4．5，这是由于冬季工况工作时，地下温度比环境温度高，从而使地源热泵系统的蒸发温度提高，导致系统的COP值增加。2．地源热泵系统在夏季供冷时，由于地下温度低于环境温度，使热泵系统的冷凝温度降低，导致系统的制冷系数提高，高于普通空调器的制冷系数。3．与以空气作为热源的普通空调器相比，在满足相同的冷、热负荷条件下，地源热泵系统可节省运行费用65％左右。4．由于地源热泵系统无需消耗燃料，使用便捷；可以有效改进局部环境，对环境保护有积极的促进作用。地埋管地源热泵系统方案设计2011-11-1810:08:31来源：中国热力网一般规定1.在进行地埋管地源热泵系统方案设计前，应进行工程场地状况调查，并应对浅层地热能资源和工程场区内岩土体地质条件进行勘察。2.应根据工程勘察结果评估地埋管换热系统实施的可行性及经济性设计原则1.当有合适的浅层地热能资源且经过技术经济比较可以利用时，应优先采用地埋管地源热泵系统。2.在现场工程勘察结果的基础上，综合现场可用地表面积、岩土类型和热物性参数以及钻孔费用等因素，确定地埋管换热器采用水平埋管还是竖直埋管方式。3.地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算，最小计算周期不得小于1年，在此计算周期内，地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡。4.最大释热量和最大吸热量相差不大的工程，应分别按供冷与供热工况进行地埋管换热器的长度计算，并取其较大者确定地埋管换热器的长度；当两者相差较大时，宜进行技术经济比较，通过增加辅助热源或增加冷却塔辅助散热的措施来解决5.最大释热量和最大吸热量相差较大时，还可以通过水源热泵机组间歇运行来调节；也可以采用热回收机组，降低供冷季节的释热量，增大供暖季节的吸热量。6.地埋管换热器宜以机房为中心或靠近机房设置，其埋管敷设位置应远离水井，水渠及室外排水设置。7.地埋管水源热泵机组性能应符合现行国家标准《水源热泵机组》（GB/T19409-2003）的相关规定，且应满足地埋管地源热泵系统运行参数的要求。设计要点1.地埋管换热系统工程勘察应包括以下内容：岩土层的结构及分布、岩土体的热物性参数、岩土体的温度分布；地下水温度、静水位、径流方向、流速、水质及分布；冻土层的厚度。2.地埋管地源热泵系统通过竖直或水平地埋管换热器与岩土体进行热交换，在地下10m以下的土壤温度基本上不随外界环境和季节变化而变化，且约高于当年年平均气温2℃。3.地埋管换热器设计计算宜根据现场实测岩土体及回填料的热物性参数、测试井的吸放热特性参数，采用专用软件进行。垂直地埋管换热器的设计可按《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）附录B给出的方法进行计算。4.地埋管换热器计算时，环路集管不应包括在地埋管换热器长度内。5.水平地埋管换热器可不设坡度敷设。最上层埋管顶部应在冻土层以下0.4m，且距地面不宜小于0.8m。单层管最佳埋设深度为1.2～2.0m，双层管为1.6～2.4m。6.竖直埋管换热器埋管深度宜大于20m，钻孔孔径宜大于0.11m，为满足换热需要，钻孔间距应通过计算确定，一般宜为4～6m。水平环路集管距地面不宜小于1.5m，且应在冻土层以下0.6m。7.为确保地埋管换热器及时排气和强化换热，地埋管换热器内流体应保持紊流状态，单U形管不宜小于0.6m/s，双U形管不宜小于0.4m/s，水平环路集管应敷设不小于0.002的坡度。8.竖直地埋管环路两端应分别与水平供、回水环路集管相连接，且宜同程布置，为平衡各环路的水流量和降低其压力损失,每对水平供、回水环路集管连接的竖直地埋管环路数宜相等。水平供、回水环路集管的间距不宜小于0.6m。9.竖直地埋管环路也可采取分、集水器联接的方式，一定数量的地埋管环路供、回水管分别接入相应的分、集水器，分、集水器宜有平衡和调节各地埋管环路流量的措施。10.地埋管换热器的传热介质一般为水，在有可能冻结的地区，应在水中添加防冻剂。地埋管换热系统设计时应根据实际选用的传热介质的水力特性进行水力计算。11.地埋管换热系统宜采用变流量设计，以充分降低系统运行能耗。12.在水源热泵机组外进行冷、热转换的地埋管地源热泵系统应在水系统管路上设置冬、夏季节的功能转换阀门，转换阀门应性能可靠，严密不漏，并作出明显标识。13.地埋管地源热泵系统在供冷、供热的同时，宜利用地源热泵系统的热回收功能提供（或预热）生活热水，不足部分由其他方式补充。生活热水的制备可以采用制冷剂环路加热或水路加热的方式。生活热水的供应，应按照现行国家标准《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003）的规定执行。14.建筑物内系统循环水泵的流量，应按地源热泵机组蒸发器和冷凝器额定流量的较大值确定，水泵扬程为管路、管件、末端设备、地源热泵机组蒸发器或冷凝器（选取较大值）的阻力之和。地源热泵工程设计方法与实例2010/7/2/9:48【慧聪热泵网】随着我国建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高，而供热系统和空调系统是建筑能耗的主要组成部分，因此，设法减小这两部分能耗意义非常显著。地源热泵供热空调系统是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的系统[1]。冬季通过吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供热；夏季向大地释放热量，给建筑物供冷。相应的，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。土壤源热泵系统的核心是土壤耦合地热交换器。地下水热泵系统分为开式、闭式两种：开式是将地下水直接供到热泵机组，再将井水回灌到地下；闭式是将地下水连接到板式换热器，需要二次换热。地表水热泵系统与土壤源热泵系统相似，用潜在水下并联的塑料管组成的地下水热交换器替代土壤热交换器。虽然采用地下水、地表水的热泵系统的换热性能好，能耗低，性能系数高于土壤源热泵，但由于地下水、地表水并非到处可得，且水质也不一定能满足要求，所以其使用范围受到一定限制。国外（如美国、欧洲）主要研究和应用的地源热泵系统以及我国理论研究和实验研究的重点均是土壤源热泵系统。目前缺乏系统设计数据以及较具体的设计指导，本文进行了初步探讨，以供参考。1土壤源热泵系统设计的主要步骤（1）建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，可参考有关空调系统设计手册，在此不再赘述。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[2]计算：kW（1）kW（2）其中Q1＇——夏季向土壤排放的热量，kWQ1--夏季设计总冷负荷，kWQ2＇——冬季从土壤吸收的热量，kWQ2--冬季设计总热负荷，kWCOP1--设计工况下水源热泵机组的制冷系数COP2--设计工况下水源热泵机组的供热系数一般地，水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数，计算时应从样本中选用设计工况下的COP1、COP2。若样本中无所需的设计工况，可以采用插值法计算。（2）地下热交换器设