地源热泵的综合情况介绍

地源热泵的综合情况介绍淮安雨润置业有限公司二〇一一年八月目录地源热泵技术的基本情况地源热泵的施工要点及注意事项地源热泵分类地源热泵BECDA土壤源热泵地下水源热泵淡水源热泵污水源热泵海水源热泵1、热泵热泵是一种通过做功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。利用热泵，可以把不能直接利用的低品位热能（如空气、土壤、水中所含的热能、太阳能、工业废热等）转换为可以利用的高品位热能。按所采用的低品位热源不同可分为：空气源热泵（airsourceheatpump,ASHP）和地源热泵(ground-sourceheatpump,GSHP)两大类。1、热泵原理地源热泵的低温热源一般是大地的地下水和土壤。由于较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度。因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，且效率大大提高。2、地源热泵的工作原理应用条件与注意事项（1）地下水源热泵系统需要有丰富和稳定的地下水资源，水质需满足要求。地下水是由降水经过土壤、砂砾、地层的过滤、渗流而形成的。地下水在地层渗流过程中，溶解了很多盐类，其主要离子组成从低矿度的淡水类型转化为高矿化度的咸水类型。目前我国对水源热泵所用水源的水质尚无明文规定。参考国家冷却水水质标准(GB50050-95)、地下水质量标准(GB-T14848-93)、某些地下水回灌水质的有关规定及地下水化学特点，有关文献提出了水源热泵用地下水水质参考标准。3、地源热泵的分类及应用注意事项地下水源热泵系统（开式系统）地埋管地源热泵系统（闭式系统）地埋管地源热泵系统也称地下耦合热泵系统或土壤热交换器地源热泵，包括一个土壤耦合地热交换器，它或是水平地安装在地沟中，或是以Ｕ形管状垂直安装在竖井之中。通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在土壤耦合地热交换器的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。概念3、地源热泵的分类及应用注意事项应用条件与注意事项（1）采用单U垂直埋管提供每kW冷量约需1.6-3m2的土壤换热器占地面积，因此对于负荷较大的建筑物实施地埋管热泵系统需要较多的土壤换热器布置面积。（2）关于冷热负荷不平衡的问题地埋管地源热泵系统（闭式系统）3、地源热泵的分类及应用注意事项地源热泵的热回收常热泵机组在供冷时，工质的冷凝大多单纯采用冷却水冷却，这部分巨大的热能就浪费了，并且冷却水系统消耗大量的电能。我们在设计中巧妙的将这部分热能加以利用（如做生活热水），其做法就是在高温高压的气态工质进入冷凝器初端时，再加一套热回收用的热交换装置，即将生活热水与高温高压的气态工质进行间接热交换，生活热水吸收高温高压气态工质的热量而成为相对高温的生活热水。全热回收功能由具有多种工作模式的电脑程序控制，在制冷季用户可免费得到生活热水，冬季可在供暖的同时提供生活热水，过度季节可以单独提供生活热水。采用地源热泵空调热泵机组提供卫生生活热水，节省了热水锅炉的设备的一次性投资，能源利用能效比高，节能意义明显。地源热泵的热回收热冷替代冷却塔热热热冷夏天基本原理土壤源热泵原理（夏季）地下土壤全年基本18℃以水为媒介向土壤散热室内空气26℃热泵机组接室内空调末端从土壤中提取冷量室外空气34℃37℃32℃12℃7℃冷温暖冷冬天基本原理土壤源热泵原理（冬季）地下土壤全年基本18℃室内空气18℃热泵机组接室内空调末端从土壤中提取热量室外空气0℃替代锅炉温暖40℃45℃8℃12℃土壤源热泵空调系统图土壤源热泵与常规空调的比较土壤源热泵空调普通空调主机设置主机设置灵活风冷：主机要与外界通风良好，设置地点受限制（屋顶、地面）；水冷：冷却塔，锅炉位置受限制运行效率土壤的温度很稳定，换热稳定，不受外界空气的变化而影响，运行效率高受外界天气条件影响大，运行不稳定效率低控制系统不存在结霜问题北方冬季，风冷热泵冲霜问题，主机逆循环，室内室温控制受限。环境效益真正意义的绿色环保空调将废热气或水蒸气排向室外环境，对环境造成很大的污染。运行费用比风冷热泵的运行费节约30%～40%。全年使用的空调尤为明显。COP值较土壤源热泵小，运行能耗高典型住宅空调与热水成本对比空调费用对比对比分体空调地源热泵夏季运行费用0.17元/m2.天0.13-0.21元/m2.天冬季运行费用0.19元/m2.天0.12元/m2.天热水费用对比对比热泵热水电制热水燃气热水夏季运行费用4.6元/t65.6元/t23.9元/t冬季运行费用15.2元/t69.5元/t25.3元/t说明：以上成本仅为能源成本费用,不计设备折旧、人员工资及利润一机三用，充分利用可再生能源，用一份电可制造五份以上的冷热量，与传统中央空调相比可节约30%的能源。地下能源为再生能源，没有热污染、噪音、视觉污染、没有有害气体排放。不受外界高温或严寒影响，运行稳定，系统简捷，控制简单使用寿命长。稳定可靠绿色环保节能高效地源热泵的优缺点对比优点节水省地以土壤为载体，向其放出热或吸收热量，不消耗水资源，省去锅炉房及储油房等配套设施，机房面积小。可同时实现供热、制冷不同功能要求，机组可灵活安置在任何地方，无锅炉、储油罐等卫生及安全隐患。操作简单，易于管理，故障率少。维护工作方便简单，维护费用低。维护简单灵活安全地源热泵的优缺点对比优点地源热泵的优缺点对比缺点土壤源换热器需要较大的占地面积水源热泵等需要较大的水体或者流量足够的污水等室外占地冬、夏季节热量提取和释放不平衡，造成热量堆积，换热效果受影响。热平衡问题相对于传统的空调形式，增加了室外换热系统初投资增加初投资增加闭式系统需要室外水质简单处理水源热泵等必须采取多级的有效过滤，维持系统运行水质处理土壤源热泵热平衡问题土壤热平衡问题的根源与由来由于建筑物冬夏空调负荷以及运行的时间不一致，导致在空调运行期间土壤换热器系统夏季累计向土壤的放热与冬季从土壤的取热量一般并不一致。由于建筑占地面积的限制，导致垂直单U甚至双U型土壤换热器群布置过于密集。以上两种因素共同作用，长期取放热量不平衡的堆积会超过土壤自身对热量的扩散能力，造成其温度不断偏离其初始温度，并导致土壤换热器系统内循环水的温度随之变化以及系统运行效率逐年下降，这即通常称谓的地源热泵热平衡问题。土壤热失衡与热平衡所对应的结果冷热失衡：土壤温度持续上升；夏季制冷效率下降，制冷出力降低，空调效果变差。冷热负荷基本相当的情况：土壤温度保持稳定，制冷效率以年为周期性变化，年度没有制冷制热能力的衰减解决措施：从系统与管理上平衡土壤热平衡问题需要引起足够重视，但完全可以解决系统设计时必须考虑到土壤热平衡问题，推荐采用逐时负荷模拟软件计算负荷和确定系统长三角地区适宜按照冬季负荷确定土壤换热器数量，控制全年传入土壤中的热量（夏季）与从土壤中得到的热量基本相同（偏差在20％以内）埋管处有流动良好的地下水通过时性能很好，但水流下游有卖管时，会影响下游热泵性能条件适合时适当放大埋管间距，并设置监测系统加强运行管理，轮换土壤换热器分组回路使用采用带有热回收技术的热泵机组有利于热平衡，且可以提供廉价的生活热水,应优先采用23具体解决措施增大埋管间距土壤换热器优化分组设置监测措施提供生活热水冷却塔塔调节土壤热平衡解决措施土壤热平衡问题的解决途径准确的建筑动态负荷预测；合理设计土壤换热器系统；设置好地源热泵运行策略；土壤换热器确保施工质量；加强系统后期运行和管理。解决措施冷却塔调节模式不同冷却塔调节模式：冷却塔系统优先运行冷却塔系统次优先运行冷却塔调峰运行热回收土壤热平衡可以通过技术手段解决针对项目特点，缓解土壤热平衡问题的措施众多：主要措施是采用冷却塔优先运行模式可将冷热不平衡率降低到6.9%，达到土壤自身平衡范围之内。另外还可以采用提供生活热水、土壤换热器优化分组、增大埋管间距等方式缓解土壤热失衡问题。最后还可以设置完善的监测系统，确保系统运行的状态处于可观测和克控制的范围内。可见土壤热平衡问题虽然需要在设计中仔细考虑，但并不是技术上的难题，完全可以通过系统的合理设计和规范化的运行管理进行规避。岩土热响应试验土壤换热器测试方法及应用1恒定热流模拟试验也称为“热响应测试”或“岩土热物性测试”，采用电加热器（或制冷机）提供稳定热量（或冷量），记录地埋管换热器的温度响应情况，并利用数学模型计算岩土体热物性参数，进而设计地埋管换热器。2恒定工况模拟试验也称为“冷、热响应测试”，采用风冷热泵建立稳定的地埋管换热器工况，并根据岩土体的冷、热响应情况逐渐稳定热泵机组的冷量或热量输出，可直观获得每延米换热量，并计算换热器综合传热系数。恒定热流模拟试验目前常用的是采用电加热器提供恒定热量，该方法是目前主流的测试方法，其进行地埋管换热器的设计过程如下：线源、柱源模型恒定热流模拟试验岩土体导热系数地埋管换热器设计传热模型负荷参数、系统参数、钻孔参数恒定热流模拟试验目前常用的是采用电加热器提供恒定热量，该方法是目前主流的测试方法，其进行地埋管换热器的设计过程如下：线源、柱源模型恒定热流模拟试验岩土体导热系数地埋管换热器设计传热模型负荷参数、系统参数、钻孔参数恒定工况模拟试验恒定工况模拟试验方法是华清集团于2006年提出的，国外尽管提出过向地埋管换热器排放冷量的测试方法，但其实质是恒热流模拟试验（不建立恒定工况），该测试方法进行地埋管换热器的设计过程如下：柱源模型恒定工况模拟试验岩土体导热系数地埋管换热器设计传热模型负荷参数、系统参数、钻孔参数每延米地埋管换热器换热量（W/m）两种测试方法比较恒定工况模拟试验优点：1）测试结果直观2）设计结果可校核缺点：1）相关理论研究成果较少；2）每延米换热量目前尚无法涉及到群孔布置的热干扰问题，应用受到局限；3）测试设备复杂恒定热流模拟试验优点：1）测试设备结构简单；2）相关理论研究成果多，理论依据充分；缺点：1）绝大多数传热模型均为纯导热模型，忽略了多孔介质中的对流；2）传热模型存在适用性问题，假设条件与实际地质情况差距较大；3）需要多次模型计算，增加误差累计；4）计算具有较强专业性，从业单位掌握程度参差不齐。土壤源热泵系统建筑基座下埋管与结构的配合高舒适度低能耗建筑技术的集成墙体保温暗敷在混凝土楼板中的采暖/制冷用盘管室内排风新风送风地热源楼板辐射墙体保温暗敷在混凝土楼板中的采暖/制冷用盘管室内排风新风送风地热源楼板辐射地源热泵外遮阳回填方式一般采用6%膨润土的原浆回填效果较好，施工工序简单，因此本工程如实施土壤源热泵推荐下部含6%膨润土的原浆，回填方式采用底部压浆；上部15m采用黄沙手工回填。土壤换热器分析思路最大程度的利用现有地块布置土壤换热器，增加土壤换热器出力，提高空调系统的保证率桩基埋管与钻孔埋管相结合，采用双U型埋管以满足冬季负荷确定土壤换热器数量对灌注桩土壤换热器采用专业软件模拟其取放热量结果作为分析依据施工配合点根据项目施工工序以及施工特点，地源热泵系统的施工主要有以下几个工序需要与建筑结构、给排水专业配合：灌注桩施工与PE管下管配合基坑垫层施工与水平管铺设配合大底板钢筋施工与预留检查井孔洞配合灌注桩施工与PE管下管配合主要为灌注桩进行灌浆与土壤换热器的PE管下施工的协调配合。针对灌注桩埋管的PE管下管式，目前有两种做法：1、将PE管绑扎在钢筋笼子上，随钢筋笼子下管2、将PE管缠绕在混凝土导浆管上，随混凝土的灌浆下管随导浆管下管导浆管进行浇筑的同时，现场的PE管施工人员与灌桩施工人员必须密切配合，当混凝土进入导管进行浇铸完约8～10米或在第一节至第三节导管抽出时，施工人员将导管进行正逆向转动，使PE管的固定支架在导管上水平并能自动脱离导管，让导管顺利取出，并使PE管埋入已浇铸的混凝土灌桩内。安装钢套管在进行PE管下管时，无论采用哪种方法，均需要在预定的截桩位置安装钢套管，以免截桩时PE管受到损坏。安装钢套管基坑垫层施工与水平管铺设配合根据项目整体工期规划，现场不允许土壤在空气中暴露时间过长在基坑开挖至相对标高后立即浇筑垫层，土壤换热器