地源热泵系统设计

地源热泵系统设计李向东总目录1、几个概念2、地源热泵系统特点及应用3、地源热泵系统方案设计4、地埋管换热器设计5、地源热泵系统机房设计6、工程实例几个概念1、热泵2、地源热泵与水源热泵3、水源热泵机组4、地埋管换热器5、可再生能源6、工作原理热泵热泵应用冷凝器排出的热量进行供热的制冷系统。热泵和制冷机的工作原理和过程是完全相同的。如同电冰箱、分体空调（对应概念‐水泵）。热泵分类z从热量来源：空气源热泵和水源热泵。z从与热泵换热器中制冷剂进行热量交换的介质：•空气‐水热泵（风冷热泵冷热水机组）•空气‐空气热泵（管道机、屋顶空调器）•水‐水热泵（常见的水源热泵机组）•水‐空气热泵（水环热泵机组）地源热泵与水源热泵国家标准《地源热泵系统工程技术规范》GB50366‐2005中把地埋管地源热泵系统（简称地埋管系统）、地下水地源热泵系统（简称地下水系统）和地表水地源热泵系统（简称地表水系统）统称为地源热泵系统。z地埋管地源热泵：也称为土壤耦合热泵系统，是狭义上的地源热泵系统，工程中通常称为地源热泵。除非特指明，本节所述地源热泵均指这种形式。z地下水热泵系统：井水源热泵系统；z地表水热泵系统：江水源、湖水源、海水源等；还有两种水源热泵的形式：z污水源热泵：利用市政污水。z水环热泵：来自冷却塔的封闭循环水。三种地源热泵形式应用对比水源热泵机组z水源热泵机组（WSHP）以水或添加防冻剂的水溶液为低温热源的热泵。z类型：•按输送冷热量的介质：水/ 水式、水/空气式等；•按压缩机形式：涡旋式、螺杆式、离心式等；•按“两器”换热方式：干式、满液式等；•按“两器”装换方式：外转换（水侧转换）、内转换（制冷剂侧转换）；•按制热工况下出水温度：中温型（45℃）、高温型（65℃）•按冷媒：R22、R134a、R407C•按热回收：无热回收、全热回收、部分热回收•按制冰功能：带蓄冰、不带蓄冰地埋管换热器传热介质通过竖直或水平地埋管换热器与岩土体进行热交换的地热能交换系统，又称土壤热交换系统、地热换热器。国内工程以竖直埋管形式为主，有单U型与双U型之分。可再生能源相对于可能穷尽的化石能源来说，在自然界中可以循环再生的能源，主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能和海洋能等。地源热泵利用的是地球表面浅层地热资源（小于200米）作为冷热源，进行能量的转换和提取。地表浅层的地热资源是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能（并且主要是太阳能）、地热能而蕴藏的低位热能，因此属于可再生能源范畴。地源热泵是把岩土体作为蓄存能量的载体，夏蓄冬取，全年平衡，从这个意义上，地源热泵是属于真正的“可再生系统”。过分强调浅层地热的概念不仅会引起社会一般人士的误解，还会造成设计上的误区。地源热泵工作原理（夏季）地源热泵工作原理（冬季）地源热泵的特点及应用z优点z缺点z应用条件z应用范围z应用中常遇到的问题优点z节能性能系数较高，节省运行费用25～50％；z环保废除锅炉房，不向室外排热，不用地下水；z可持续发展热量冬取夏蓄，利用可再生能源；z冷暖兼用均衡用电负荷，节省建筑空间；z美观无室外机，不影响建筑外观。缺点z初投资较高：系统中增加地埋管换热器，造价高，受地质条件影响；z占用土地：地埋管换热器占用大量土地面积，在建筑容积率高的场合受限；z冷热负荷的平衡：冷热负荷不平衡产生地下的热量积累。应用条件z有点地——有地埋管z有点——有钱埋管z有点冷热负荷——用好埋管z有眼光——因工程制宜，因地制宜，合理利用（山东建筑大学刁乃仁教授总结）应用范围适量地下空间、一定的资金投入、冬冷夏热地区，中、小型空调工程。存有下列问题之一者优先考虑：不具备集中供热；不便于设置冷却塔；不便于设置分体空调的室外机或多联机的外机；节能环保要求高等……，如远离市区的别墅、加油站，古建筑等。任何一种空调方式，都有其应用条件和使用范围，不可能也不应该包打天下应用中常遇到的问题z全年冷热负荷不平衡对换热的影响全年冷、热负荷平衡失调，将导致地埋管区域岩土体温度持续升高或降低，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。z应对措施——辅助冷热源冷负荷大于热负荷：加冷却塔——混合系统热负荷大于冷负荷：加辅助热源地源热泵系统方案设计z了解外部条件z分析负荷特点z生活热水负荷的处理z方案技术经济比较z负荷平衡的初步估算z单一地埋管系统与复合地源热泵系统z集中地埋管循环水泵与分散循环水泵z地源热泵空调与地源热泵供热外部条件z建设单位的资金情况z冷热源现状z能源结构、能源价格z可用于地埋管的地面面积z可利用的低品位能源情况z建设项目特点负荷特点：商业、办公、宾馆、住宅等使用情况建设周期等负荷特点z商业瞬时冷负荷高，且夏季冷负荷远大于冬季热负荷，夏季需求大于冬季；有利于地源热泵的采用、一般需设辅助排热z住宅瞬时冷、热负荷值均较低，夏季末端同时使用系数较低，属于间歇供冷，用户有迅速对房间降温的需求，故末端冷负荷取值较大，但同时使用系数较低，对冷源的需求并不大。冬季热负荷值较低（如山东地区≯32W/㎡），北方地区要求连续供暖，因此累计负荷冬季＞夏季，冬季需求大于夏季；对地源热泵系统应用不利。适合于别墅、多层等建筑密度较低的建筑小区，以高层为主的建筑需进行仔细的分析计算。必要时需设辅助加热。负荷特点z办公受建筑围护结构影响较大、地区性负荷差异明显；白天使用、夜间关闭，负荷间歇性明显；对于华北地区，夏季负荷大但运行时间短，冬季负荷稍低，但运行时间长，全年负荷较易实现平衡；是一种较为适合地源热泵的系统形式。z宾馆酒店负荷较平均、冬夏季负荷差别不大、空调运行时间长，有生活热水需求，且对负荷的保证性要求高。全年热负荷大于冷负荷，一般需另设热源，可把地源热泵作为基本负荷考虑，设置常规冷源、锅炉作为调峰负荷。关于一机多用利用一套地源热泵机组供冷、供热、兼供生活热水，实现一机多用。z优点：初投资省；机房面积小；夏季利用部分空调余热z缺点：冬季采暖负荷与生活用热水负荷重叠，增大机器规格。过渡季易出现大马拉小车，机组效率低多工况运行，切换频繁，效率低，操作维修量大z——多数情况下单设热泵热水机组更合理些经济技术分析z1.每单位负荷（空调面积）需埋管多长？土层热物性、负荷大小、运行方式、埋管布置形式等z2.单位空调面积埋管需要多大的场地？孔深、孔间距、布置形式、负荷大小等z3.地源空调单位面积增加的费用有多少？钻孔的费用占了地热换热器增加费用的主要部分地热换热器设计是否合理决定着地源热泵经济性和运行的可靠性几种空调冷热源方案的经济技术比较各空调方式初投资、运行费及投资回收比较说明：1、冬、夏季运行天数为140天和90天计,每天运行10小时，负荷系数取0.7 。2、机房和冷却塔运行费用均指水泵等用电设备运行费用，表中为概算值。负荷平衡的初步估算z基于设计负荷（瞬时负荷）下的手工简算：z计算设计负荷下的排热量、吸热量，可用于对辅助热源或辅助冷源的定性判断。某工程地源热泵实际打孔性能计算项目单位冬季夏季设计热/冷负荷KW10000.0 12000.0 单位孔深吸/排热量W/m37.0 50.0 设计孔深m100.0 钻孔数量眼1428.0 埋管长度m142800.0 冬季吸热/夏季排热量KW5283.6 7140.0 机组COP3.5 4.5 冬季制热/夏季制冷量KW6793.2 5553.3 冬季辅热/夏季辅冷KW3206.8 6446.7 负荷平衡的初步估算z基于权重系数下的负荷平衡手工简算：夏季排热量参考《公共建筑节能设计标准》中IPLV计算公式对计算负荷下对应的排热量进行加权；冬季吸热量的权重计算依据：对于给定的建筑，冬季负荷与室内外温差成正比，而不同地区不同的室外温度的分布可以通过标准年气象参数获得。某工程负荷平衡计算冬季夏季负荷率权重吸热量KWh权重排热量KWh10.1524995520.023388497.60.750.4556239920.41552573860.50.324995520.4613893421.60.250.14165920.101426502.8合计11103968819965808说明采暖期4个月，连续采暖供冷期4个月，每天供冷时间18h复合地源热泵系统当冬夏季负荷不平衡率超过20%时，就应该考虑采取辅助加热或辅助散热措施。复合式地源热泵空调系统有如下形式：1) 冷却塔‐‐地源热泵复合系统;2) 太阳能‐‐地源热泵复合系统;3) 冰蓄冷或水蓄能‐‐地源热泵复合系统;4）锅炉或热网‐‐地源热泵复合系统; 5）常规水冷机组‐‐地源热泵复合系统;6）空气源热泵‐‐地源热泵复合系统;7）多种冷热源‐‐地源热泵复合系统。集中与分散z集中地源热泵机组：空调系统为常规的水系统z分散地源热泵机组：户式地源热泵机组，可为水‐水热泵，也可为水‐空气热泵。z集中地源侧循环泵：埋管区域集中z分散地源侧循环泵：埋管区域分散，且距离悬殊地埋管换热器的设计z设计流程z垂直式地埋管换热器的设计z地埋管钻孔长度计算z地埋管换热器的布置地埋管换热器的设计流程z收集项目地相关地质资料和建筑物资料z根据建筑物负荷和地质状况确定室外换热系统换热形式z根据建筑物负荷情况和计算全系统最大释热量和最大吸热量•夏季最大释热量=∑［空调系统冷负荷×（1+1/EER）+ ∑输送过程中得热量+∑水泵释放热量］•冬季最大吸热量=∑［空调系统热负荷×（1‐1/COP）+ ∑输送过程中失热量‐∑水泵释放热量］z根据全年冷热负荷平衡情况确定是否增加辅助散热或加热设备z进行工程地质勘查，测定土壤热物性并根据测试结果进行地埋管长度计算z通过模拟运行软件进行20年周期的模拟运算，观察在全周期内岩土热量是否平衡，温度是否有较大变化。如出入较大需要重新计算地埋管长度负荷平衡计算有条件时应采用能耗模拟软件进行全年8760h的动态负荷计算。相关软件有DOE‐2、Energy+、DEST等。地源热泵专用模拟软件（如山东建筑大学“地热之星”）要求必须采用动态负荷输入。垂直式地埋管换热器的设计z详细了解待埋管区域的各种地下管线情况以及未来承载道路情况z根据场地情况、地埋管长度、地质构造、钻孔成本、管材成本等多因素综合考虑确定埋管方式z考虑环路集管对回水温度的影响z水平环路集管管径的埋深应在冻土层以下0.6m，距地面距离一般为1.2‐1.5m以上z水平环路集管选择在经济可行的前提下以大口径为原则，以减少循环泵功率z地埋管内循环液流量建议为每冷吨冷量0.15‐0.19L/S（温差5℃左右）z当建筑物过高，形成的静水压力大于地埋管公称压力时，地上系统和地下系统应用换热器隔离影响地埋管换热器设计的主要因素1、土壤的初始温度(℃)2、土壤的比热(Mj/m³.k) (w/m2.k) 3、土壤的导热系数(w/m.k) ）4 、大地的热流通量(w/㎡)5、地下换热器的形式（单U、双U)6、地下换热器的间距（m）7、地下换热器的深度（m）8、地下换热器的排布方式9、地下换热器的打孔直径（m）10、流体与管壁的对流换热系数11、地下换热器埋管管壁换热热阻(m.k/w）12、地下换热器的管间间距（m）13、回填材料热阻(m.k/w）14、地下换热器系统承担的累积总负荷(MWh) 15、地下换热器的峰值负荷（kw）16、峰值负荷连续运行的小时数地埋管钻孔长度计算z根据已经确定选型的地源热泵机组的实际运行工况确定循环液进出口设计温度z初步设计地埋管钻孔长度和布置方案z根据测定的岩土热物性参数计算地埋管孔内热阻z计算运行周期内孔壁的平均温度和极值温度z计算循环液的进出口温度、极值温度或平均温度z根据计算结果调整钻孔长度等设计参数，使得循环液的进出口温度满足设计要求地埋管换热器的布置1.   深度,一般为40m~120m 2.  占地面积,由孔数和孔距决定3.  孔的直径,一般为100mm~150mm 4.  孔的距离一般为4m~6m 5.  孔内的管束: 单U, 双U 6.  U形管的材质直径,一般为De25（双U）或De32（单U）HDPE管地埋管换热器的连接形式地埋管换热器的布置实例地埋管换热器的