某蔬菜基地-地源热泵系统

~1~地源热泵方案书天津市金大地能源工程技术有限公司2011年7月地址：天津市河西区环湖南路9号9门（邮编300060）电话：[phone]公司网址：传真：[phone]电子信箱：[e-mail]联系人：刘兴泽13072213011某蔬菜基地~2~目录一、工程概况……………………………………………………３二、方案设计……………………………………………………３三、公司优势介绍………………………………………………7四、工程实例……………………………………………………15五、质量服务体系………………………………………………18~3~一、工程概况一、基本情况与负荷确定本工程为某蔬菜基地空调采暖项目，总建筑面积为1200㎡，系统拟采用地源热泵系统，末端为风机盘管系统。用以满足该建筑夏季制冷、冬季采暖的需求。表1.建筑面积及冷负荷、热负荷项目经济技术指标名称面积（m2）热指标(w/m2)热负荷（kw）冷指标(w/m2)冷负荷（kw）蔬菜大棚120070848096合计120070848096备注：设计总制热量为84kw。设计总制冷量为96kw。二、地源热泵方案设计（一）系统工艺流程按冬季供热负荷确定打井数量。~4~具体运行原理如下图所示：图1、系统工艺流程图在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环。通过蒸发器内冷媒的蒸发将由空调末端循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷凝器内冷媒的冷凝，由水路循环将冷媒所携带的热量吸收，最终由水路循环转移至地下水或土壤里。在室内热量不断转移至地下的过程中，通过风机盘管，以冷风的形式为房间供冷。在制热状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，并通过换向阀将冷媒流动方向换向。由地下的水路循环吸收地下水或土壤里的热量，通过冷凝器内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过蒸发器内冷媒的冷凝，由空调末端循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，以热风的形式向室内供暖。、室外地下换热器、循环水泵、冷凝器、压缩机、节流阀、蒸发器、室内风机盘管系统换向阀~5~（二）埋管占地面积测算按照热负荷确定打井数量，共打井1４眼，设计井深120米（冬季按照每米排热40w计算）井中采用双U型PE管。井距4.5米，主管路埋深1.2米。本工程室外埋管占地面积约３４５㎡。（三）系统重要参数及设备选型表1系统参数夏季空调，制冷系统冬季空调，制热系统水源侧埋管：进水温度24℃，出水温度30℃，温差6℃，流量16.56m3/h进水温度12℃，出水温度7℃，温差5℃，流量14.6m3/h末端侧进水温度12℃，出水温度7℃，温差5℃，流量19.9m3/h进水温度40℃，出水温度45℃，温差5℃，流量14.6m3/h表2、系统设备主要及其选型表序号设备名称型号及规格性能数量备注价格（元）1地源热泵机组制热量45.6kw、制冷量43kw(其中功率为水源热泵工况功率)2台900002地源侧循环泵流量10.4t/h，扬程22米，功率：1.5kW3台冬季三用夏季一用两备24003空调侧循环泵流量10.4t/h，扬程22米，功率：1.5kW3台冬季三用夏季一用两备24004电子水处理仪处理水量1t/h1台45005快速除污器处理水量KC251台15006软水器处理水量：1t/h1套38007高位水箱有效容积：0.5吨1米*1米*0.5米（高）1台22008软水箱有效容积：0.5吨1台22009控制柜及电缆配套安装1套2500010整套系统管路阀门保温等制作和安装1套3500011打井及室外埋管工程100000~6~工程费用合计：269000元（224元/㎡）注：1.冷、热负荷如实际发生变化，投资也相应变化；2.本报价中不包括室外管网安装费用；（五）运行费用估算表3.系统运行参数值项目标准项目标准制冷周期100天/年供暖周期120天/年日开机时间供暖24小时电价0.7元/度制冷12小时平均负荷系数冬季0.75；夏季0.7调节系数冬季0.7０；夏季0.7０供暖制热cop５空调制冷cop５.５表4地源热泵机组制热年运行费用表(单位:人民币万元)单项计算公式总计（万元）年供暖费用(制热功率+附属设备功率)×负荷系数×日运行小时数×年运行天数×电价84kw／５×0.7×24小时×120天×0.70元/度２.３７（万元）（１９.７６元/㎡）年制冷费用(制冷功率+附属设备功率)×负荷系数×日运行小时数×年运行天数×电价96kw／５.５×0.75×12小时×100天×0.70元/度１.１（万元）（９.１６元/㎡）注：若电价产生变化则运行费用应给以相应调整。本工程采用地源热泵系统，初投资为269000元（224元/㎡），年运行费用为３.４７万元。~7~三、公司优势介绍一、地源热泵技术优势本公司参与编制《天津市地埋管地源热泵系统应用技术规程》，在地埋管方式的地源热泵中央空调系统应用方面，我公司已掌握了施工过程中的四项关键技术：①全年能耗分析能量负荷用来预测在某一规定时间内（如一年），系统运行所需要的能量，其计算方法与设计负荷基本相同，不同的地方是以实际运行工况和相关气象参数取代设计负荷中的设计工况参数。在进行土壤源热泵系统设计时，土壤热交换器的大小必须保证运行期内，循环水温度在规定的上下限以内，同时确保热泵运行效果不下降，系统运行费用合理。在峰值负荷的基础上，土壤源热泵的土壤热交换器确定必须考虑全年运行工况下逐时负荷的情况，因此要通过能耗分析计算全年逐时负荷。采用能耗分析软件EnergyPlus，进行全年8760小时的负荷模拟。模拟出的峰值冷、热负荷均比设计冷热负荷小很多，其原因主要是设计负荷的计算采用的是极端工况，而模拟负荷采用的气象数据为EnergyPlus网站上提供的典型年气象数据，计算条件为多年的统计平均结果，并且考虑了阴天、雨、雪等的影响。所以热泵机组的选型仍按设计冷热负荷选择，以上模拟可以作为地下换热器计算的依据，按此模拟结果计算出每米井深的平均换热量后，再按设计冷热负荷确定实际地下换热器长度及井口数量。②地下换热实验及土壤热交换器的计算地埋管换热器设计计算是地源热泵系统设计所特有的内容，由于地埋管换热器换热效果受岩土体热物性及地下水流动情况等地质条件影响非常大，使得不easyenergyplus能耗模拟软件~8~同地区，甚至同一地区不同区域岩土体的换热特性差别都很大。为了保证地埋管换热器设计符合实际，满足使用要求，通常设计前都需要对现场岩土体热物性进行测定，并根据实际数据进行计算。1地下换热实验1.1实验原理深层地下岩土热导率通常采用现场测量结合参数估计法来确定，本研究采用目前应用广泛的一维简化模型来确定现场的实际地下岩土热导率。土壤热交换器换热管内流体平均温度与深层土壤的初始温度（无穷远处的土壤温度）之间的关系可表达为：2bsssdc[]416klfffOsEiTTqRk式中：-sxeEi(x)=sds—指数积分函数bd—钻孔直径（m）；sc—岩土的比热容〔J/(kg•K)〕；sk—周围岩土的热导率〔W/(m•℃)〕；1q—单位长度线热源热流强度(W/m)；0R—单位长度钻孔内的总热阻(℃•m/W)；fT—埋管内流体平均温度(℃)；ffT—无穷远处土壤温度(℃)；s—岩土的密度(kg/m3)；—时间（s）；1.2实验系统可以采用研究的形式进行单钻孔土壤热交换器测试。实验井直径300mm，回填材料为碎石，井中垂直埋设双U型管土壤热交换器，换热器管材为PE管，~9~管内径为32mm。实验井完全按照工程实际情况施工，土壤热交换器安装完成后，进行水压试验，以确保热交换器的无泄露。实验用冷热源可以采用天津大学环境学院研制的实验用热泵机组，温度测量使用铜---康铜热电偶，经恒温水浴标定后，测试精度可达±0.1℃。数据采集系统使用Fluke公司的数据采集装置，可每秒钟对所有温度测点进行一次自动采集。1.3数据处理实验时，首先测得无穷远处的土壤温度（例如某项目为13.5℃）。机组运行后开始记录数据，取地下换热稳定后的数据按前述方法进行数据处理。经计算，可以得到该试验基地现场单位长度钻孔内的总热阻Ro（例如某项目Ro=0.179（℃▪m/W），周围岩土的热导率Ks=2.315[w/m▪℃]）2土壤热交换器的计算建筑物全年动态负荷、岩土体温度的变化、地埋管及传输介质特性等因素都会影响地埋管换热器的换热效果。因此，考虑地埋管换热器设计计算的特殊性及复杂性，宜采用专用软件进行计算。根据GB50366-2005《地源热泵系统工程技术规范》，本研究使用专业软件对所设计系统的地埋管换热器的结构进行模拟。采用的地埋管换热器计算核心为国际上比较认可的瑞典隆德大学开发的g-functions算法，使用程序为美国Oklahoma大学开发的GLHEPRO程序。例如，某实验项目：根据实验测得的单位长度钻孔内的总热阻、岩土的热导率以及全年能耗的模拟结果，使用GLHEPRO程序对空调用热泵机组进行了10年（120个月）的地下换热情况模拟。模拟时设井直径0.3米、井间距4.5米，井深110米，计算得出每米井深的换热量约为67.8w。10年中，地下土壤最高平均温度为22.8℃，出现在第117个月，最低温度出现为4.99℃，出现在第3个月。根据设计负荷，计算得到需要打井眼数。3“地热之星”软件介绍我公司掌握了“地热之星”软件的应用。地源热泵系统与传统系统的差别在于增加~10~了地热换热器。这种换热器与工程中通常遇到的换热器不同，它不是两种流体之间的换热，而是埋管中的流体与固体（地层）的换热。这种换热过程很特殊。它是非稳态的，涉及的时间跨度很长，条件也很复杂；以往对传统换热器的研究中没有现成的经验可以借鉴。地热换热器的设计是否合理又是决定地源热泵系统运行的可靠性和经济性的关键。因此，要采用和推广地源热泵首先就要对埋管中的流体与土地之间的换热过程进行深入的研究，包括埋管与土地在短期和长期工况下的换热规律、多组管子之间的相互影响、土壤冻融的影响、地下水层流动的影响等。“地热之星”软件采用动态传热模型，可以模拟地源热泵和地热换热器系统在长达20年的时间里的工作状态，并带有大量设计所必需的基础数据。“地热之星”是地源热泵系统的设计和研究机构，设备生产厂家和教学部门必不可少的实用手段。保证了我公司地源热泵项目的有效实施。4全年负荷平衡的问题地埋管换热系统全年冷、热负荷平衡失调，将导致地埋管区域岩土体温持续升高或降低，从而影响地埋管换热器的换热性能，降低地埋管换热系统的运行效率。为保证地埋管系统全年冷热负荷的平衡，当土壤最大吸热量和最大释热量相差较大时，可采用设置辅助散热（增加冷却塔）或辅助供热的方式来解决。③U型换热管置入换热孔技术~11~在换热孔终孔后，需要向换热孔中置入用于流通换热液的单U型管道和双U型管道。如何保证换热管能顺利置入换热孔而不发生由于U型管互相搭接发生的“热短路”现象是地埋管方式的地源热泵中央空调系统实施过程中必须面临的第一个难题。我公司已完全掌握了这一关键技术，为提高地下换热系统的工作效率奠定了良好的基础。④换热填料和换热循环液配方技术凭借我公司多年来对地下储能技术的积累，研制出了独特的换热填料和换热循环液配方，并可根据不同地区的不同地质构造进行配方调整。利用这种专用换热填料和换热循环液，在夏季可以将换热循环液中的热量迅速排放到换热填料中，再通过土壤的导热和土壤中水分的迁移，把热量扩散出去；在冬季，又能将周边土壤中储存的热量释放到换热循环液中。采用这种技术比单纯采用砾石做填料和用水做为换热液的地源热泵系统的工作效率提高数倍，节能效果更加明显。⑤专用换热管制造技术为进一步提高系统的换热效率，我公司与国内著名的PE管材生产企业合作，共同进行技术攻关，研制开发使用专用于地埋管方式的地源热泵中央空调系统的PE管材和管件，除换热效率大大优于普通PE管材外，其施工效率和管材的使用寿命也大大提高。3、服务方面除保证工程质量