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地源热泵相关常识

  • 产品分类: 低碳环保设备
  • 生产厂家: 山东赛斯特冷冻系统有限公司
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  • 添加时间: 17/07/30
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  一、地源热泵的概念
  地源热泵是利用地球水所储藏的太阳能资源作为冷、热源,进行转换的空调技术。
  地源热泵可分为“水源”热泵和“地源”热泵。地源热泵包括地下水热泵、地表水(江、河、湖、海)热泵、土壤源热泵;
  二、地源热泵的原理
  地球表面浅层水源(一般在1000 米以内),如地下水、地表的河流、湖泊和海洋,吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量,并且水源的温度一般都十分稳定。
  地源热泵技术的工作原理是:通过输入少量高品位能源(如电能),实现低温位热能向高温位转移。水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源,即在夏季将建筑物中的热量“取”出来,释放到水体中去,由于水源温度低,所以可以高效地带走热量,以达到夏季给建筑物室内制冷的目的;而冬季,则是通过水源热泵机组,从水源中“提取”热能,送到建筑物中采暖。
  三、水源热泵的优点
  水源热泵与常规空调技术相比,有以下优点:
  (一)、高效节能且环保的
  环境污染和能源危机成为威胁人类生存的头等大事。随着人类生活水平的提高,中央空调的能耗占整个能源消耗的比例不断增加,而中央空调的能耗中绝大部分是消耗在冷热源上。因此,广大专业人士一直在努力寻求高效节能且环保的空调冷热源,发展绿色建筑。
  对于绿色建筑应体现在以下几个方面:
  1、建筑与自然的共生:即要求保持环境、利用环境、防御自然灾害。保护生态系统并减少大气污染物的排放,保持建筑周边环境生态系统的平衡;充分利用太阳能、地热能进行供暖、供热、采光以及通风,充分考虑绿化配置,软化人工建筑环境;考虑建筑物的朝向等。
  2、应用减轻环境负荷的建筑节能技术:即降低能耗、延长使用寿命、使用环保材料,注重能源的再利用、使用耐久性强的建筑材料及可循环再生材料的利用。
  3、循环再生型的建筑生涯:循环利用始终贯穿到整个建筑生涯。
  4、创造健康、舒适的室内环境:包括健康持久的生活环境,优良的空气质量等。
  5、使建筑融入历史与地域的人文环境:即继承地方传统的施工工艺,继承和保护城市与地域的景观特色,保持城市的恒久魅力和活力。
  水源热泵系统是一种利用地下浅层的热能源(也称地能,包括地下水、土壤或地表水等),通过输入少量的高位能(如电能),将低温位能向高温位能转移,以实现即可供热又可制冷的高效节能的绿色空调系统。
  在建设绿色建筑的过程中,水源热泵空调系统是一种广泛应用的系统形式。
  (二)、水源热泵中央空调系统的优势
  水源热泵中央空调系统的优势之一是它属于绿色建筑的构成要素。
  水源热泵利用地下水一年四季温度稳定的特点,冬季把地下水能作为热泵供暖的热源即把高于冬季大气温度的地下水能中的热能取出来供给室内采暖,夏季把地下水能作为空调的冷源,即把市内的热量取出来释放到低于夏季大气温度的地下水中。通常水源热泵消耗1Kw的电量,用户可以得到5Kw以上的热量或冷量,从而达到节能的目的,而且在系统运行过程中,不产生任何有害物质,实现了环保的功效。该系统由如下特点:
  1、资源可再生利用
  水源热泵技术是利用了地球表面浅层地热资源(通常深度小于1000米)作为冷热源进行能量转换的供暖空调系统。其中可以利用的水体,包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器,收集了47%的太阳辐射能量,比人类每年利用能量的500倍还多(地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量),也是一个巨大的动态能量平衡系统,地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散的相对均衡。这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为可能。且不受地域、资源等限制,真正是量大面广、无处不在。
  这是储存于地表浅层近乎无限的可再生能源,也是清洁能源。与地面上环境空气相比,地面30m以下地下水温度全年基本稳定且略低于年平均气温,可以分别在夏冬季提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。所以从热力学原理上讲,地下水是一种比大气更好的热泵系统的冷热源。而且水源热泵系统不会把热量、水蒸气及细菌等排入大气环境,符合当前可持续发展的战略要求。所以说,水源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。
  2、高效节能
  通常水源热泵消耗1Kw的能量,之所以用户可以得到4Kw以上的热量或冷量,是因为这多出来的能量是来自地下水的能源。另外,地能温度较恒定的特性,使得热泵机组运行更可靠、稳定。也保证了系统的高效性和经济性。设计安装良好的水源热泵,平均来说可以节约用户30%~60%。
  水源热泵是目前空调系统中能效比(COP值)高的制冷、制热方式,理论计算可达到7,实际运行为4~6。
  水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12~22℃,水体温度比环境空气温度高,所以热泵循环的蒸发温度提高,能效比也提高。而夏季水体温度为18~35℃,水体温度比环境空气温度低,所以制冷的冷凝温度降低,使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式,从而提高机组运行效率。水源热泵消耗1kW.h的电量,用户可以得到4.3~5.0Kw.h的热量或5.4~6.2Kw.h的冷量。与空气源热泵相比,其运行效率要高出20~60%,其运行费用为普通中央空调系统的50%~60%。
  3、绿色环保
  水源热泵系统利用地球表面浅层地热资源,无须燃烧燃料,避免了排烟、排污等污染;
  省去了燃煤、燃气、燃油等锅炉房系统,无燃烧过程节能环保,无任何污染。
  地源热泵的污染物排放,与空气源热泵相比,约减少40%以上;
  与电供暖相比,约减少70%以上,如果结合其他节能措施节能会更明显。
  热泵机组供热、供冷时省去了冷却塔和其他室外设备,避免了冷却塔的噪音、霉菌污染及水耗。没有中央空调集中占地问题,节省了空间和地皮,为建设单位带来额外利润,产生附加经济效益,并改善了建筑物的外部形象。
  虽然也采用制冷剂,但比常规空调装置减少25%的充灌量。
  由于该装置的运行没有任何污染,所以可以建造在居民区内,可以安装在绿地、停车场下,正因为没有燃烧,没有排烟,也没有废弃物,所以不需要堆放燃料废物的场地且不用远距离输送热量。
  所以,水源热泵机组的运行无任何污染,无燃烧、无排烟,不产生废渣、废水、废气和烟尘,不会产生城市热岛效应的特性,对环境非常友好,是理想的绿色环保产品。
  4、一机多用,应用范围广
  水源热泵系统可供暖、空调,还可供生活热水,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物,水源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源,而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求,减少了设备的初投资。其总投资额仅为传统空调系统的60%,并且安装容易,安装工作量比传统空调系统少,安装工期短,更改安装也容易。
  水源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑,小型的水源热泵更适合于别墅、住宅小区的采暖、供冷。
  5、运行稳定可靠,维护方便
  水体的温度一年四季相对稳定,其波动的范围远远小于空气的变动,水体温度较恒定的特性,使得热泵机组运行更可靠、稳定,也保证了系统的高效性和经济性;采用全电脑控制,自动程度高。由于系统简单、机组部件少,运行稳定,因此维护费用低,使用寿命长。
  6、自动化程度高,节水省地
  机组与各系统均可实现自动化控制,可根据室外温度变化及室内温度要求自动控制机组的启停,达到好的节能效果,同时节省了人力物力。也可有操作人员自行设定开关机时间和温度,机组便可进入无人管理模式,自行运转工作。
  以地表水为冷热源,向其放出热量或吸收热量,不消耗水资源,不会对其造成污染;省去了锅炉房及附属煤场、储油房、冷却塔等设施,机房面积大大小于常规空调系统,节省建筑空间,也有利于建筑的美观。
  四、打水井
  设备类型:螺杆式水源热泵机组
  空调系统机房附属设备选用空调水泵、全自动水处理器、软水箱、高位膨胀水箱、旋流除砂器、控制柜等设备。
  1、空调系统运行方式
  夏季和冬季都采用风机盘管的形式,夏季提供7~12度冷水,冬季提供45度热水,通过末端循环达到对室内温度调节的目的。
  2、室外水源打井系统计算
  螺杆式水源热泵机组水井数量的确定受到地质条件、水位、上水量及渗水能力的影响,各个地区的水纹资源互不相同,在实际钻井过程中,积累的经验数值有强的参考价值。按地质条件及水纹特点,参照实际的工程经验,结合本地区的实际情况,采用水源热泵的方式,具体井数确定计算如下:根据机组良好运行需要的流量及单井的上水量,确定上水井的数量,计算式按以下:
  N=Q/q
  其中N——上水井数量,口
  Q——热泵机组所需井水总流量,m3/h
  q——单井上水量m3/h
  根据甲方提供的单井上水量,按每口100米深的井上水量为40 m3/h计算,
  为满足井水回灌的要求,必须钻一定数量的回水井,回水井的数量按上水井数量的1.5倍确定,根据实际的工程要求,具体按如下:
  N′=1.5N
  N——上水井数量,口
  N′——回水井数量,口
  大多数工程采用集中打井的形式,为防止井水回灌后产生地下短路,因换热不均匀引起井水上水温度逐渐变低,节能效果差,影响设备正常运行,因此,回水井与上水井间距间隔越大越好。实际工程中一般井间距在50米以外,考虑到本工程打井数量及工程的占地面积,确定打井间距为50米,以保证良好的节能和设备的长期运转。
  因井水的取水量在不用地区受地质环境影响而不同,故在钻井时应提前了解当地地质情况,确定钻井方案。方案确定后,应由专业钻井公司实施,一般钻井直径为50cm和30cm两种,井壁应采用钢制管材,确保井壁的承压及使用寿命。钻井成功后,应及时洗井到水清为宜。
  回水井的数量为上水井数量的1.5倍。
  五、地埋管系统打井介绍说明
  1、土壤源热泵空调系统的组成
  主要由地源热泵空调机组、土壤源热泵换热器、循环水泵、末端装置、管路系统及相关附件组成。
  2、土壤源热泵空调系统
  土壤源热泵空调系统,是在地下埋设管道作为换热器,管道与热泵机组连接形成闭式环路,管道中有液体流动通过循环将热泵机组的凝结热通过管道散入地下(供冷工况),或从大地吸取热量供给热泵机组向建筑物供热(供热工况)。土壤源热泵空调系统设计的主要部分为土壤源热泵换热器的设计,故下文以换热器的设计进行展开。
  3、竖直埋管换热器型式及设计要点
  ⑴、竖直埋管换热器型式
  土壤源热泵换热器有多种型式,按埋管方式分水平埋管、竖直埋管、螺旋埋管等。这三种埋管型式各有自身的特点和应用环境。在采用竖直埋管更显示出其优越性:节约用地面积,换热性能好,可安装在建筑物基础、道路、地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能,可在建筑物桩基中设置埋管,见缝插针充分利用可利用的土地面积。地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种,串联系统管径较大,管道费用较高,并且长度压降特性限制了系统能力。并联系统管径较小,管道费用较低,且常常布置成同程式,当每个并联环路之间流量平衡时,其换热量相同,其压降特性有利于提高系统能力。因此,实际工程一般都采用并联同程式。结合上文,即常采用U型管并联同程的热交换器型式。常用的竖直埋管换热器型式是由垂直埋入地下的U型管并联同程的热交换器型式。
  ⑵、竖直埋管深度
  竖直埋管可深可浅,须根据当地地质条件而定,如20m、30m……直到200m以下。确定深度应综合考虑占地面积、钻孔设备、钻孔成本和工程规模,热传导效果等。例如天津地区地表土壤层很厚,钻孔费用相对便宜,宜采用较深的竖直埋管,因深埋管的成本低、换热性能好、并可节约用地。但据相关研究表明:U型管的换热主要是在进水支管内完成的,随着钻孔深度的增加,出水支管引起的温升降低,支管间的热短路加剧。因此在满足工作功率的前提下,缩短钻孔深度不但能降低成本,还可以减少热短路的影响。因此建议钻孔深度不超过150米为宜。
  ⑶、竖直埋管材料
  一般来讲,一旦将换热器埋入地下后,基本不可能进行维修或更换,这要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足,而塑料管具有耐腐蚀、易加工、传热性能可满足换热要求、价格便宜等优点。由于需要埋入地下的管道的数量较多,故应该优先考虑使用价格较低的管材。所以土壤源热泵系统中一般采用塑料管材。目前常用的是聚乙烯(PE)和聚丁烯(PB)管材,它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状,可以保证使用50年以上;而PVC管材由于不易弯曲,接头处耐压能力差,容易导致泄漏,因此,不推荐用于地下埋管系统
  ⑷、确定管径
  在实际工程中确定管径必须满足两个要求:
  ①、管道要大到足够保持小输送功率;
  ②、管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。
  显然,上述两个要求相互矛盾,需要综合考虑。一般并联环路用小管径,集管用大管径,地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm,管内流速控制在1.22m/s以下,对更大管径的管道,管内流速控制在2.44m/s以下。
  ⑸、竖直埋管换热器钻孔孔径及回填材料
  竖直埋管换热器的形成是从地面向下钻孔达到预计深度,将制作好的U型管下入孔中,然后在孔中回填不同材料。在接近地表层处用水平集水管、分水管将所有U型管并联构成地下换热器。根据地质结构不同,钻孔孔径可以是Ф100、Ф150、Ф200或Ф300,某些地区地表土壤层厚,为了钻孔、下管方便多采用大孔径。回填材料可以选用浇铸混凝土、回填沙石散料或回填土壤等。材料选择要兼顾工程造价、传热性能、施工方便等因素。从实际测试比较浇铸混凝土换热性能好,但造价高、施工难度大,但可结合建筑物桩基一起施工。回填沙石或碎石换热效果比较好,而且施工容易、造价低,可广泛采用。
  4、竖直埋管换热器系统的设计方法
  计算冷,热负荷
  ①、建筑物冷热负荷的计算
  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。
  ②、冬夏季地下换热量计算
  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。可以由下述表格参数计算:
  土层
  石土层
  石层
  50w/m
  60w/m
  80w/m
  5、竖直埋管换热器的设计
  ⑴、选择热交换器形式 地埋管地源热泵系统的热交换器形式有水平(卧式)或垂直(立式)两种形式,具体选择那种形式应根据实际现场条件如场地大小、地质条件等综合考虑。
  在现场勘测结果的基础上,考虑现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用,确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式。尽管水平布置通常是浅层埋管,可采用人工挖掘,初投资一般会便宜些,但它的换热性能比竖埋管小很多,并且往往受可利用土地面积的限制,所以在实际工程中,一般采用垂直埋管布置方式。
  根据埋管方式不同,垂直埋管大致有3种形式:①U型管②套管型③单管型。套管型的内、外管中流体热交换时存在热损失。单管型的使用范围受水文地质条件的限制。U型管应用多,管径一般在50mm以下,埋管越深,换热性能越好:深的U型管埋深已达180m。U型管的典型环路有3种,其中使用普遍的是每个竖井中布置单U型管。然后对计算结果进行圆整,若计算结果偏大,可以增加竖井深度,但不能太深,否则钻孔和安装成本大大增加。相关研究表明:U型管的换热主要是在进水支管内完成的,随着钻孔深度的增加,出水支管引起的温升降低,支管间的热短路加剧。因此在满足工作功率的前提下,缩短钻孔深度不但能降低成本,还可以减少热短路的影响。
  ⑵、竖直埋管总长度、井间距以及竖直埋管布置形式
  主要是以所选择机组的总负荷,依据地质特性参考每米深度的热含量来确定总的打井深度(管长)。结合工程场地可一字型布置、L型布置或矩阵型布置均可,根据测试结果分析,U型竖直埋管间距以4.5—6m为宜。关于竖井间距有资料指出:U型管竖井的水平间距一般为4.5m,也有实例中提到DN25的U型管,其竖井水平间距为6m,而DN20的U型管,其竖井水平间距为3m。
  ⑶、确定竖直埋管水流速度
  竖直埋管中如提高水流速度则换热量可适当增加,但增加量不与流速提高量成比例。竖直埋管中水流应为紊流状态,流速太快会增加循环水泵能量消耗,流速取1m/s左右为宜。
  ⑷、计算管道压力损失
  在同程系统中,选择压力损失大的热泵机组所在环路作为不利环路进行阻力计算。可采用当量长度法,将局部阻力件转换成当量长度,和管道实际长度相加得到各不同管径管段的总当量长度,再乘以不同流量、不同管径管段每100m管道的压降,将所有管段压降相加,得出总阻力。
  ⑸、确定水泵型号
  根据上述计算不利环路所得的管道压力损失,再加上热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失,确定水泵的扬程,需考虑一定的安全裕量。根据系统总流量和水泵扬程,选择满足要求的水泵型号及台数。
  6、地埋系统综述
  1、确定地源系统方案,并对打井、埋管等进行精确计算,确保冬夏负荷平衡,
  使机组在好的工况下运行。
  2、不要拿用户做试验
  3、地源负荷设计时,可以按总负荷的70%选取,前提是先进行土壤热交换率测
  试,同时保留适当余量,同时要能保证90%的运行时间;
  4、地下系统经过几年运行后,土壤周边温度回有所上升,必须加以考虑。正常情况下每10年温度提高1.5℃。
  5、室外井口必须事先设立相对于建筑物的坐标点,施工完成后画成地图,以便日后检修。
  6、室外埋管必须是同程式设计。垂直埋管管径为DN32。
  7、垂直管埋好后,井孔必须填满。可以用软管插到井底,灌入细沙、泥土和适量水泥的混合物。沙的比例不要太高;
  8、垂直埋管时,同一井内U型管间距不必过于强调,>20mm即可。而井间距离在4m以上,一般设5~6m;
  9、垂直井在下管前,管内注满水,用100kg重物,底部焊一钢制叉形物,骑在U型管底部,可以加快下管速度;
  10、管道埋设前必须试压,埋好后二次试压,与水平管连接后三次试压,与集分水器连接后四次试压,与整个系统连接后,五次试压;
  11、垂直埋管地源负荷:40~50w/m井深,双U形管一般能提高6%的换热效率;池塘或河道埋管:40w/m管材;静止状态时制热1kw需15 m2水面面积,单冷1kw约需7.5m2水面面积;
  12、防冻液可以用甲醇和乙醇混和物,先兑水后用防爆泵加入系统。 此方案与吸收地下水的不同点在于,水源热泵是吸收地下水的能量,而地埋管是吸收地下土壤的能量,同样都可以达到制热的效果。
点击次数:   更新时间:17/07/30 13:52:07   【打印此页】   【关闭

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