地源熱泵室外換熱系統(tǒng)施工新技術(shù) 2

1、本次學(xué)員共有180人左右，學(xué)習(xí)氣氛濃厚 下面就各位專家學(xué)者給我們講授和討論的地源熱泵問題知識(shí)與大家分享。 首先中國可再生能源學(xué)會(huì)地源熱泵專業(yè)組李元普給大會(huì)致開幕詞。 北京市勘察設(shè)計(jì)研究院孫保衛(wèi)高工、中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)所王貴玲主任、天津大學(xué)地?zé)嵫芯吭簭垈ソ淌?、中國建筑技術(shù)集團(tuán)楊毅工程師等分別給我們精彩演講和指導(dǎo) 我們還現(xiàn)場參觀過中央黨史檔案室地?zé)岜霉こ毯望惗紲厝芈窆芄こ痰責(zé)崮軅鹘y(tǒng)地?zé)崮軅鹘y(tǒng)地?zé)崮苁怯傻貧こ槿〉奶烊皇怯傻貧こ槿〉奶烊粺崮?，這種能量來自熱能，這種能量來自地球內(nèi)部的熔巖，并地球內(nèi)部的熔巖，并以熱力形式存在，我以熱力形式存在，我們所開發(fā)的深部地?zé)醾兯_發(fā)的深部地?zé)釣闅v史形成的熱水能

2、為歷史形成的熱水能量載體。屬于國家礦量載體。屬于國家礦產(chǎn)資源。產(chǎn)資源。淺層地?zé)崮軠\層地?zé)崮?學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容o一、地?zé)崂门c基本概念o二、地源熱泵技術(shù)的基本原理o三、地源熱泵的分類與比較o四、影響地源熱泵的各種因素o五、抽水-回灌井布置主要考慮因素o六、影響地埋管地源熱泵系統(tǒng)的地質(zhì)環(huán)境因素o七、地埋管換熱原理o八、地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范淺層地?zé)崮芙榻B 淺層地?zé)崮苁堑厍驘崮艿闹匾M成部分，通常是指位于地球表層變溫層之下，蘊(yùn)藏在地殼淺部巖層體中的低溫地?zé)豳Y源，其熱能主要來自地球深部的熱傳導(dǎo)。 淺層地?zé)崮艿臏囟嚷愿哂诋?dāng)?shù)仄骄鶜鉁?5，溫度比較穩(wěn)定，分布廣泛，開發(fā)利用方便，具有十分廣闊的開發(fā)利用前景。

3、 淺層地?zé)崮艿睦?，主要是通過熱泵技術(shù)的熱交換方式，將賦存于地層中的低位熱源轉(zhuǎn)化為可以利用的高位熱源，既可以供熱，又可以制冷。目前，淺層地?zé)崮荛_采利用的經(jīng)濟(jì)深度一般小于200m。 地質(zhì)監(jiān)測表明：相對(duì)恒溫層的下方，受地心熱的影響大，產(chǎn)生溫度梯度，一般每下深百米，溫升34。而在相對(duì)恒溫層的上方，百米左右的地表層，也就是通常開發(fā)利用的淺層地能所在的范圍，受太陽能的影響較大。 淺層地?zé)崮軆煞较騺碓?外部太陽能外部太陽能 內(nèi)部地心熱內(nèi)部地心熱基本概念基本概念熱泵是將低品位熱能提升到高品位熱能的設(shè)備。低品位熱能隨處可見，如空氣中的熱量、土壤中的熱量、江河湖海水中的熱量等。但由于溫度低而不能直接用于建筑物的

4、采暖。通過熱泵提升溫度后就能用于建筑物的采暖。 地源熱泵利用地下淺層地?zé)豳Y源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）高效率提供制冷和采暖功能的環(huán)?？照{(diào)系統(tǒng)。二、地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行基本原理 由于地層的隔熱和蓄熱作用，使得儲(chǔ)存于其中的地下水溫度受地表氣溫變化的影響較小，特別是較深地層中的水，其溫度常年不變，地下水源熱泵系統(tǒng)就是利用淺層地下水溫度較為穩(wěn)定的特性，以淺層地下水作為能量的載體，通過熱泵實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到對(duì)建筑物進(jìn)行供熱和制冷的目的。 地源熱泵系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)工作環(huán)節(jié)土壤土壤熱泵復(fù)熱泵復(fù)合式系合式系統(tǒng)統(tǒng)夏季夏季冬季冬季土壤熱泵機(jī)組土壤熱泵機(jī)組蒸汽溴化鋰吸收式制冷機(jī)蒸汽溴化鋰吸收式制冷機(jī)

5、土壤熱泵機(jī)組土壤熱泵機(jī)組蒸汽熱網(wǎng)蒸汽熱網(wǎng)三、地源熱泵系統(tǒng)分類比較水資源法規(guī)不受限制，國家鼓勵(lì)；適用我國長江以北地區(qū)；建筑物與地源距離不受影響，在建筑物周圍垂直埋管即可；壽命及可靠性不受影響，地下埋管可使用50年水資源法規(guī)受限制，審批嚴(yán)格；適用我國長江以北地區(qū)；建筑物與地源距離長期抽水會(huì)造成地面沉降，井位密度和井距都有嚴(yán)格要求；水井的使用壽命受很多因素的影響。 水資源法規(guī)受限制，需審批；要求地表水溫冬季大于7C，夏季小于30C；建筑物與地源距離取水距離不宜過遠(yuǎn)；取水量受地表水位的變化影響，輸水管道的使用壽命比土壤源垂直埋管低得多地埋管式地下水源地表水源思考思考地源熱泵系統(tǒng)分類地源熱泵地源熱泵地埋

6、管地埋管地源熱泵地源熱泵地下水地下水地源熱泵地源熱泵地表水地表水地源熱泵地源熱泵水平水平地埋管地埋管垂直垂直地埋管地埋管樁埋管樁埋管直直接接使使用用地地下下水水間間接接使使用用地地下下水水開式開式閉式閉式垂直垂直水平水平螺旋螺旋樁基樁基閉式閉式開式開式四、影響地下水地源熱泵系統(tǒng)的各種因素v1、自然地理、氣象條件自然地理、氣象條件進(jìn)行地下水地源熱泵施工前需調(diào)查分析當(dāng)?shù)氐淖匀坏乩?、氣象條件。v地下水溫度和冬夏兩季應(yīng)用空調(diào)制冷和制熱時(shí)間對(duì)地下水地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)有很大影響。冬冷夏熱（冬季和夏季時(shí)間相差不大）地區(qū)是應(yīng)用地下水地源熱泵的良好區(qū)域v2、水文地質(zhì)條件水文地質(zhì)條件v應(yīng)用地下水地源熱泵系統(tǒng)，含水層

7、必須具備抽得出、灌得進(jìn)等條件：含水層的水文地質(zhì)條件應(yīng)符合以下幾點(diǎn)：A含水層具備一定的滲透性，滲透系數(shù)較大，含水層厚度大，貯水容積大vB含水層中無異常地溫梯度現(xiàn)象；C地下水抽水回灌后對(duì)地下水的水質(zhì)影響，應(yīng)向好的方向發(fā)展；D系統(tǒng)抽水回灌后，不能引起其他不良的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)現(xiàn)象，如地面沉降、土地的沉陷或土壤鹽堿化等；vE含水層的上下隔水層要有良好的隔水性，較小的隔水層滲透系數(shù)，以避免與鄰近含水層短路，造成能量流失，形成良好的保溫層。v含水層v含水層巖性為中細(xì)砂以上；含水層埋置相對(duì)較淺、含水層厚度大，可節(jié)約成本。v地下水位埋深與變化趨勢v地下水位離地面有一定深度，最好大于10m；v考慮地下水位埋深

8、必需分析、預(yù)測場地及其周邊地區(qū)地下水位的未來變化。v地下水流向與流速v一種是等值線法，v另一種是實(shí)測法，可以用井下電視法、地下水流速流向儀量測。v3、工程地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件v應(yīng)用地下水地源熱泵系統(tǒng)必須考慮地下水位降低造成地面沉降的影響。v4、周邊環(huán)境、周邊環(huán)境v周邊環(huán)境包括臨近場地的建筑物情況、地下水地源熱泵系統(tǒng)使用情況、抽水回灌井深度、出水量大小以及重要管線等基礎(chǔ)設(shè)施情況和場地所處是否為敏感地區(qū)如水源保護(hù)區(qū)、地下水污染區(qū)等。這些因素都是選擇地下水地源熱泵系統(tǒng)的制約因素。v5、場地大小、建筑面積場地大小、建筑面積v地下水地源熱泵系統(tǒng)的抽水井和回灌井一般均必須布置在有限的場地范圍內(nèi)，而要保障

9、地下水地源熱泵系統(tǒng)的正常運(yùn)行，抽水井、回灌井之間必須保持合理的井間距。而建筑面積決定了地下水地源熱泵系統(tǒng)的用水量v6、敏感區(qū)的確定、敏感區(qū)的確定v需調(diào)查場地是否處于敏感地區(qū)，如水源保護(hù)區(qū)、地下水污染區(qū)等，了解當(dāng)?shù)氐恼呤欠裨试S采用地下水地源熱泵，以免工程盲目投資造成不必要的浪費(fèi)。v7、審批、審批v采用地下水地源熱泵系統(tǒng)前必須進(jìn)行水資源論證，并經(jīng)過專家審查和水務(wù)部門審批。但水資源論證工作中對(duì)水文地質(zhì)條件的論述并不能完全滿足地下水地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，在進(jìn)行地下水地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)前仍應(yīng)進(jìn)行水文地質(zhì)勘察工作v水文地質(zhì)勘察評(píng)價(jià)水文地質(zhì)勘察評(píng)價(jià)v熱泵系統(tǒng)的地下水開采和回灌方法；v抽水井、回灌井的井間距

10、及其對(duì)抽水井出口溫度的影響；v不同抽水井、回灌井布置，在地下水地源熱泵長期運(yùn)行中地下溫度場的變化趨勢；v地下水溫度是否適宜地下水地源熱泵系統(tǒng)；v與熱泵系統(tǒng)和現(xiàn)有規(guī)章有關(guān)的被探測到的所有污染物的重要程度；地下水水質(zhì)對(duì)地下水地源熱泵系統(tǒng)長期運(yùn)行效率的影響；v抽水回灌中地面沉降估算和周邊環(huán)境影響的評(píng)估；v水文地質(zhì)勘察工作包括以下步驟：水文地質(zhì)勘察工作包括以下步驟：v資料搜集和整理 場地狀況調(diào)查v場地勘察 水文地質(zhì)試驗(yàn)v分析與評(píng)價(jià)v場地勘察場地勘察vA 地下水的賦存狀態(tài)和地下水類型；vB 含水層的分布、巖性、埋深和厚度；vC 含水層的滲透系數(shù)；vD 地下水的補(bǔ)給、逕流、排泄條件及地下水的流向、流速；v

11、E 地下水的水溫；vF 地下水的水質(zhì)；vG 地下水位動(dòng)態(tài)。v分析與評(píng)價(jià)分析與評(píng)價(jià)vA 抽水、回灌井布置方案及抽灌井設(shè)計(jì)A.1 抽水、回灌井布置方案A.2 抽灌井設(shè)計(jì)vB 開采可行性分析B.1 單井開采能力評(píng)價(jià)B.2 井群開采可行性評(píng)價(jià)vC 回灌可行性分析C.1 回灌量的可行性分析C.2 回灌水源水質(zhì)的可行性分析vD 抽水、回灌同時(shí)進(jìn)行時(shí)干擾問題分析D.1 抽、灌同步時(shí)地下水滲流場分布形態(tài)D.2 開采與回灌的關(guān)系D.3 開采井出水溫度的變化D.4 抽水、回灌方案對(duì)鄰區(qū)抽水井的影響vE 地下水頭變化對(duì)建筑地基影響的初步分析五、關(guān)于抽灌井設(shè)計(jì)與抽水、回灌井布置五、關(guān)于抽灌井設(shè)計(jì)與抽水、回灌井布置主要

12、考慮的因素主要考慮的因素v關(guān)于抽灌井設(shè)計(jì)與抽水、回灌井布置關(guān)于抽灌井設(shè)計(jì)與抽水、回灌井布置v抽水井的出水能力、回灌井的回灌能力主要受場地的水文地質(zhì)條件的制約，在實(shí)際應(yīng)用中，抽水-回灌井的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)是影響其能力的關(guān)鍵。v影響抽水回灌井的回灌能力的回灌井的結(jié)構(gòu)主要為過濾管，在成井過程中的人工回填層以及洗井效果將影響抽水井、回灌井的工作效率。v抽水回灌井過濾器的設(shè)計(jì)常用過濾器主要有：填礫過濾器、骨架過濾器、纏絲過濾器、貼礫過濾器等過濾器主要由過濾骨架和過濾層組成。過濾骨架孔眼的大小、排列、間距與管材強(qiáng)度、含水層的孔隙率及其粒徑有關(guān)。表4-2為過濾器進(jìn)水孔眼直徑或?qū)挾扰c含水層粒徑的關(guān)系數(shù)據(jù)。過濾層

13、的礫料應(yīng)以圓形、卵圓形為佳，禁止使用棱角狀碎石渣；采用的礫料成分宜采用石英巖、石灰?guī)r，不能使用泥灰?guī)r等軟質(zhì)巖石成分；礫料的粒徑以及填埋厚度應(yīng)該根據(jù)含水層類型來確定；在砂類土含水層中盡量加大填礫厚度，在礫石、卵石含水層中，填礫厚度可以適當(dāng)減小，一般情況下，礫料厚度宜為75-150mm。v抽水回灌井的施工要求v地下水換熱系統(tǒng)的抽水井和回灌井的施工隱蔽性較強(qiáng)，必須找有資質(zhì)的施工隊(duì)伍來完成，具體施工步驟包括鉆探、測井、下管、填礫、封井、洗井、抽水試驗(yàn)和水質(zhì)分析。其中下管、填礫、封井和洗井是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。v下管時(shí)要根據(jù)地層編錄和測井解釋的地層情況在含水層中下入過濾管，在隔水層下套管；填礫選擇的礫料要與含水層

14、顆粒大小相匹配，并均勻干凈的填到過濾管外側(cè)；在礫料層上均勻的填入粘土進(jìn)行封井，避免含水層受污染；洗井通常采用活塞、空氣壓縮機(jī)聯(lián)合洗井、泵抽洗井等方法，具體洗井方法可根據(jù)成井情況進(jìn)行選擇。v抽水回灌井群布設(shè)v抽水回灌井的布置主要考慮以下因素：（1）場地的水文地質(zhì)條件；（2）建筑物的面積；（3）場地的大??；（4）擬建和已建建（構(gòu)）筑物的位置；（5）管井施工條件；（6）臨近建筑物的地下水地源熱泵系統(tǒng)使用情況。建筑容積率v 建蔽率六影響地埋管地源熱泵系統(tǒng)的地質(zhì)環(huán)境因素v影響地埋管施工和換熱性能的因素包括兩類：地質(zhì)環(huán)境v地層組合條件v土壤初始溫度v土壤熱物性v地下水滲流換熱孔結(jié)構(gòu)v地埋管的布置形式v深度

15、v間距v地埋管的管材v管外回填材料的傳熱特性地層組合條件v第四系厚度和卵礫石地層厚度和深度決定了采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。v第四系厚度大（如大于100m），無卵礫石地層，則適宜采用地埋管地源熱泵v第四系厚度雖然大，但卵礫石地層厚度也大，則有可能不適宜采用地埋管地源熱泵v第四系厚度?。ㄈ缧∮?0m），下部為基巖，則較適宜采用地源熱泵v巨厚的卵礫石地層，與粘性土層互層，則不適宜地埋管地源熱泵七、七、地埋管換熱器原理地埋管換熱器原理地埋管可利用溫差:v冬季-利用深度內(nèi)的平均地溫與水源熱泵機(jī)組合理蒸發(fā)溫度之間的溫差. 例如: 155= 10 100= 10(加防凍液)v夏季-平均地溫與水源熱泵機(jī)

16、組合理的冷凝溫度之間的溫差. 例如: 1532= -17 地埋管換熱原理 換熱器換熱量表達(dá)式： Q=K S (T2-T1) -板式換熱器 K-換熱器傳熱系數(shù) (W/(m2) )和地球的導(dǎo)熱系 數(shù)不同 S-為換熱面積(m2) Q=K L (T1-T2) - 柱狀換熱器 K -換熱器傳熱系數(shù)(W/(m) )-是衡量換熱器的性能好換的 L -為換熱器長度(m)影 響 半 徑 r ( m )地 溫 曲 線管 內(nèi) 平 均 水 溫 t1原 始 地 溫 t2夏 季 換 熱 孔 周 圍 溫 度 分 布 示 意 圖1221rrlnT-TL 2Q Q為單孔換熱量；為綜合導(dǎo)熱系數(shù)； r1為埋管的等效半徑；r2為熱影

17、響半徑 從該式可以看出，換熱器的每延米換熱量(Q/L)在原始地溫T2不變的情況下是管內(nèi)平均液體溫度T1的函數(shù)，所以不能直接用來設(shè)計(jì)埋管長度。而K比較穩(wěn)定，可以從熱響應(yīng)試驗(yàn)中求得。2kw3kw4kwq(w/m)51015-5-10散熱溫差()夏季工況(向地層散熱)冬季工況(從地層吸熱)吸熱溫差(始地溫循環(huán)液溫度 ()h=100m0cop值32.53.5203040地埋管換熱器換熱量與溫差關(guān)系示意圖地埋管換熱功率計(jì)算地埋管換熱功率計(jì)算 QDn式中：D為單孔設(shè)計(jì)工況相對(duì)應(yīng)的換熱功率，可通過正演或現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)獲得。n為計(jì)算面積內(nèi)的換熱孔數(shù)，孔間距應(yīng)大于1.7倍的季節(jié)性熱影響

18、半徑34323212141rrln1rrln1rrln1)t -L(t2D 地下水換熱功率計(jì)算地下水換熱功率計(jì)算 適用于地下水地源熱泵適用于地下水地源熱泵 地?zé)崮芸衫昧康挠?jì)算地?zé)崮芸衫昧康挠?jì)算 51016. 1WWwhCTqQ式中：式中： qw地下水循環(huán)利用量，地下水循環(huán)利用量，m3/d T溫差溫差八、地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范v(一）傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法v第1年末某地塊土壤的溫度場v采用每延米換熱量的設(shè)計(jì)方法v弊端有二：v1.無法準(zhǔn)確的確定熱泵機(jī)組的參數(shù)；v2.容易造成土壤的冷、熱堆積。v（二）地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范局部修訂v C.1.4 巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括下列內(nèi)容：v1 項(xiàng)目概況；v2 測試方案；v3 參考標(biāo)準(zhǔn)；v4 測試過程中參數(shù)的連續(xù)記錄，應(yīng)包括：循環(huán)水流量