地源熱泵技術與建筑節(jié)能淺析

地源熱泵技術與建筑節(jié)能淺析--建筑節(jié)能課程作業(yè)序言隨著經濟的進展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供熱和空調已成為普遍的需求。地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源（也稱地能,包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調系統(tǒng)。地源熱泵通過輸人少量的高品位能源（如電能）,實現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉移。地能別離在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏日空調的冷源,即在冬季,把地能中的熱量“取”出來,提高溫度后,供給室內采暖;夏日,把室內的熱量掏出來,釋放到地能中去。地源熱泵是能有效節(jié)省能源、減少大氣污染和二氧化碳排放的供熱和空調新技術。能夠預見,該項技術將會成為21世紀最有效的供熱和制冷空調技術。關鍵字：地源熱泵，建筑節(jié)能，可持續(xù)進展一.地源熱泵系統(tǒng)介紹地源熱泵空調系統(tǒng)是一種利用含有大量能源的土壤(地下水)作為吸熱或排熱的熱互換器，實現(xiàn)空氣調劑的系統(tǒng)，被稱之為二十一世紀的“綠色節(jié)能空調技術”。熱泵原理與組成熱泵(制冷機)是通過做功使熱量從溫度低的介質流向溫度高的介質的裝置。建筑的空調系統(tǒng)一能夠省去鍋爐和鍋爐房，不但節(jié)省了初投資，而且全年僅采納電力這種清潔能源，大大減輕了供暖造成的大氣污染問題。熱泵空調系統(tǒng)通常由制冷劑環(huán)路、室內環(huán)路和低溫熱源換熱環(huán)路等環(huán)路組成。有的還設有加熱生活熱水的環(huán)路。不同類型的熱泵，其制冷劑環(huán)路和室內環(huán)路大體相同,但其低溫熱源換熱環(huán)路各有不同。如分體空調的室外機是空氣源熱泵的低溫熱源換熱環(huán)路，而地熱換熱器那么是地源熱泵的低溫熱源換熱環(huán)路。國家標準GB50366-2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術標準》對地源熱泵的具體概念為：以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能互換系統(tǒng)、建筑物內系統(tǒng)組成的空調系統(tǒng)。生活旗小二.地源熱泵的分類及技術分析就其性質來分，國外的文獻通常把熱泵分為空氣源熱泵(airsourceheatPumP,ASHP)和地源熱泵(groundsourceheatPumP,GSHP)兩大類。地源熱泵又可進一步分為地表水熱泵(surface-waterheatPumP,SWHP)、地下水熱泵(groundwaterheatPumP,GWHP)和地下禍合熱泵(ground-coupledHeatPumP,GCHP)。地源熱泵系統(tǒng)方卻濘.世瑞助式一.潴源落果上壤耦合熱泵的下水源熱泵地表水源熱泵地源熱泵系統(tǒng)的分非升式系新用式莓殖同井回■康印井循斗期統(tǒng)團式系贊異并回潮第統(tǒng)地下水熱泵地下水源熱泵系統(tǒng)的熱源是從水井或廢棄的礦井中抽取的地下水。通過換熱的地下水能夠排人地表水系統(tǒng)，但關于較大的應用項目通常要求通過回灌井把地下水回灌到原先的地下水層。水質良好的地下水可直接進人熱泵換熱，如此的系統(tǒng)稱為開式環(huán)路。實際工程中更多采納閉式環(huán)路的熱泵循環(huán)水系統(tǒng)，即采納板式換熱器把地下水和通過熱泵的循環(huán)水分隔開,以避免地下水中的泥沙和侵蝕性雜質對熱泵的阻礙。由于地下水溫常年大體恒定，夏日比室外空氣溫度低，冬季比室外空氣溫度高,且具有較大的熱容量，因此地下水熱泵系統(tǒng)的效率比空氣源熱泵高,COP值一樣在3一4.5,而且不存在結霜等問題。最近幾年地下水源熱泵系統(tǒng)在我國取得了迅速進展。A、開式系統(tǒng) B、閉式系統(tǒng)可是，地下水熱泵系統(tǒng)的應用也受到許多條件的限制。第一，這種系統(tǒng)需要有豐碩和穩(wěn)固的地下水資源作為先決條件。按常規(guī)計算,10,000歐的空調面積需要的地下水量約為120m7hr。地下水熱泵系統(tǒng)的經濟性還與地下水層的深度有專門大的關系。若是地下水位較低，不僅成井的費用增加，運行中水泵的耗電將大大降低系統(tǒng)的效率。另外，盡治理論上抽取的地下水將回灌到地下水層,但目前國內地下水回灌技術還不成熟，在很多地質條件下回灌的速度大大低于抽水的速度,從地下抽出來的水通過換熱器后很難再被全數(shù)回灌到含水層內，造成地下水資源的流失。再者，即便能夠把抽取的地下水全數(shù)回灌,如何保證地下水層不受污染也是一個棘手問題。地表水熱泵地表水熱泵系統(tǒng)的一個熱源是水池、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大體量自然水體的地址利用這些自然水體作為熱泵的低溫熱源是值得考慮的一種空調熱泵的型式。熱泵與地

A、閉式系統(tǒng)表水的換熱可采納開式循環(huán)或閉路循環(huán)的形式。開式循環(huán)是用水泵抽取地表水在換熱器中與熱泵的循環(huán)液換熱后再排人水體。其缺點是水質較差時在換熱器中產生污垢，阻礙傳熱，乃至阻礙系統(tǒng)的正常運行。更經常使用的地表水熱泵系統(tǒng)采納閉路循環(huán)，即把多組塑料盤管沉人水體中，熱泵的循環(huán)液通過盤管與水體換熱,能夠幸免水質不良引發(fā)的污垢和侵蝕間題。固然A、閉式系統(tǒng)B、開式系統(tǒng)另外,由于地表水溫度受氣候的阻礙較大，與空氣源熱泵類似，當環(huán)境溫度越低時熱泵的供熱量越小，而且熱泵的性能系數(shù)也會降低。必然的地表水體能夠承的冷熱負荷與其面積、深度和溫度等多種因數(shù)有關，需要依照具體情形進行計算。這種熱泵的換熱對水體中生態(tài)環(huán)境的阻礙有時也需要預先加以考慮。深水湖在夏日會產生溫度的分層，湖底維持較低的溫度;冬季湖面結冰后會限制湖水溫度的下降。地下藕合熱泵地下稠合熱泵系統(tǒng)是利用地下巖土中熱量的閉路循環(huán)的地源熱泵系統(tǒng)。通常稱之為“閉路地源熱泵”，以區(qū)別于地下水熱泵系統(tǒng)，或直接稱為“地源熱泵”。它通過循環(huán)液（水或以水為要緊成份的防凍液）在封鎖地下埋管中的流動，實現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的傳熱。地下藕合熱泵系統(tǒng)在結構上的特點是有一個由地下埋管組成的地熱換熱器（geothermalheatexchanger或groundheatexchanger）。地熱換熱器的設里形式要緊有水平埋管和豎直埋管兩種。水平埋管形式是在地面開l一2米深的溝，每一個溝中埋設2、4或6根塑料管。豎直埋管的形式是在地層中鉆直徑為0.1一0.15米的鉆孔,在鉆孔中設置l組（2根）或2組（4根）U型管并用灌井材料填實。鉆孔的深度一樣為40―200米?，F(xiàn)場可用的地表面積是選擇地熱換熱器形式的決定性因素。豎直埋管的地熱換熱器能夠比水平埋管節(jié)省很多土地面積，因此更適合中國地少人多的國情.地熱換熱器所需埋管的總長度需要依照埋管的形式、地下巖土的熱物性、地下的溫度和冷熱負荷的情形作詳細的計算才能確信。設置地熱換熱器的要緊費用是鉆孔的費用。因此正確設計地熱換熱器埋管的長度關于保證系統(tǒng)的性能和經濟性十分重要。由于阻礙因素很多，數(shù)學模型復雜，國內外已開發(fā)了一些地熱換熱器設計計算軟件，能夠幸免盲目估算帶來的失誤。其中地下巖土的熱物性對傳熱能力的阻礙專門大，建議采納現(xiàn)場實測的方式確信地下巖土的熱物性。A.水平敷設地耦管路： B.垂直敷設地耦管路：三.地源熱泵在國內外的研究現(xiàn)狀及以后進展趨勢國外對地源熱泵的研究較早，最先能夠追溯到1912年瑞士的一個專利。而該技術的提出始于英美兩國。美國在1946年進行的12個地下盤管研究項目，這些系統(tǒng)測試了地下埋管的參數(shù)。1954年，美國人發(fā)明了世界上第一臺地源熱泵。從地源熱泵應用情形來看:北歐國家要緊偏重于冬季采暖，而美國那么注重冬夏連供。由于美國的氣候條件與中國很相似，因此研究美國的地源熱泵應用情形對我國地源熱泵的進展有著借鑒意義。美國大部份地源熱泵系統(tǒng)采納了冬季采暖，夏日制冷的全年運行方式，隨著地源熱泵技術的進步和工程的應用，其研究工作也慢慢深切，顯現(xiàn)了對其強化傳熱技術，混合式地源熱泵技術等。在國內的研究，在地源熱泵的三種不同的系統(tǒng)形式中，由于采納地下埋管換熱器，使得土壤源熱泵的技術難度最大，設計和施工都很困難，因此一直也是地源熱泵技術的難點和核心所在。我國對地源熱泵的一系列研究工作開始于20世紀80年代,要緊集中于以下幾個方面：1）地下埋管換熱器的傳熱模型和傳熱研究；2）夏日瞬態(tài)工況數(shù)值模擬的研究；3）熱泵裝置與部件的仿真模型的理論和實踐研究；4）地源熱泵空調系統(tǒng)制冷工質替代研究；5）其他能源如太陽能、水電等與地熱源聯(lián)合應用的研究；6）地源熱泵系統(tǒng)的設計和施工；7）地源熱泵系統(tǒng)的經濟性能和運行特性的研究；8）地源熱泵系統(tǒng)與埋地換熱器的技術經濟性能匹配方面機組整體性能的研究；9）土壤熱物性及土壤導熱系數(shù)的實驗研究等等。這些研究絕大多數(shù)都局限于對所成立的實驗系統(tǒng)進行技術可行性分析和埋地換熱器傳熱模型的成立,從而得出土壤源熱泵節(jié)能的一樣性結論。在地源熱泵系統(tǒng)經濟運行方面一直比較缺乏。地下埋管換熱器的穩(wěn)固性和高效性直接阻礙系統(tǒng)的性能和初投資，由于缺乏對地下埋管換熱器動態(tài)特性方面的深切研究，使得這些結論大多只適用于某一具體實驗系統(tǒng)或地域，而且所能提供的數(shù)據(jù)較少，只能作為本地域的設計依據(jù)。這都阻礙了地源熱泵技術在我國的迅速進展。隨著地源熱泵在我國的慢慢推行,對地源熱泵系統(tǒng)經濟性能和運行特性的研究也日趨受到重視。哈爾濱工業(yè)大學針對地源熱泵鉆井費昂貴、初投資比一般供暖空調高的問題，利用經濟評判方式，以哈爾濱地域供暖面積10000m2為計算對象，分析比較了地源熱泵3種驅動源（電動機、燃氣機、柴油機）、3種輔助熱源（電鍋爐、油鍋爐、燃氣鍋爐）等系統(tǒng)組合的經濟參數(shù)（初投資、年經營本錢、年總本錢、凈現(xiàn)值、凈現(xiàn)值率及投資回收期），分析計算得出利用燃氣機驅動的輔助燃氣鍋爐的地源熱泵系統(tǒng)為最正確的結論。北京建筑工程學院從節(jié)能分析動身,結合工程實例，對地源熱泵系統(tǒng)即地下水熱泵系統(tǒng)和土壤源熱泵系統(tǒng)與風冷熱泵系統(tǒng)在技術性能和經濟性能方面進行了對照。分析說明地源熱泵系統(tǒng)性能參數(shù)比風冷熱泵系統(tǒng)有較大提高;初投資和運行費用比風冷熱泵系統(tǒng)節(jié)省24%~30%。一些研究人員還依據(jù)圓柱源理論，成立了符合地面熱泵機組和地下埋管換熱器特性的模擬模型，并運用模型對地源熱泵的冬季和夏日運行特性進行了模擬。四.案例分析4.1項目概況1、工程項目：嵊泗龍眼礁旅行度假中心地源熱泵中央空調系統(tǒng)工程2、建設單位：嵊泗遠東長灘旅行開發(fā)3、具體地址：浙江省舟山市嵊泗縣菜園鎮(zhèn)高場灣村4、建筑類型：公共建筑5、建筑面積：項目總建筑面積20047.07平方米6、利用功能：旅行、度假、住宿7、建設時刻:工程建設時刻為2020年11月-2021年3月8、地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能示范項目總投資：516.46萬元9、示范工程中應用可再生能源的投資增量：147.44萬元10、工程項目總平面示用意：設計范圍龍眼礁旅行度假中心地源熱泵系統(tǒng)的設計范圍是酒店主樓、副樓的中央空調系統(tǒng)和酒店主樓、副樓、員工綜合樓、7棟海景房熱水系統(tǒng)?？照{系統(tǒng)選型分析針對項目對空調利用成效要求、項目所處環(huán)境及對建筑的整體要求進行空調系統(tǒng)選型分析。海風對風冷機組的阻礙本項目位于嵊泗縣菜園鎮(zhèn)南面，泗礁島南部高場灣村西側海邊，（1）海面吹向地面的風比從地面吹來的風攜帶更多的水分，濕度更大，會與VRV空調系統(tǒng)或者風冷熱泵空調系統(tǒng)機主的金屬部分發(fā)生氧化還原反應，對機組設起到腐蝕影響。（2）海面的溫差變化小，一般說海風腐蝕性大的時候都是夏季左右。這個時候海面溫度低，所以形成向陸地吹來的風，由于日照、溫度、蒸發(fā)等原因。這個時候海風的風力要比一般風或者其他時候的的海風大。所以作用力更大。對暴露與室外的VRV空調主機與風冷熱泵空調主機及冷卻塔等設備腐蝕影響更大。由于以上原因，此項目采用VRV系統(tǒng)和風冷熱泵系統(tǒng)，效果不穩(wěn)定，冬季增加除霜量，機組壽命短，因此不采用此兩種系統(tǒng)。無益于海水源熱泵空調系統(tǒng)的實施此項目盡管位于海邊，但無益于海水源熱泵機組的實施。取水口離機房太遠，不方便海水的運輸，并且海水雖然進行過凈化處理但雜質含量還是很高。遠距離輸送時會在運輸管路的低洼處結垢不方便清洗，堵塞管道帶來不便，且海水輸送管段距離很遠管子口徑又大不方便遠程埋設。海水潮起潮落，使海水溫度不穩(wěn)定，取水口難以掌控。而且取水井清淤將帶來較大的維護工作量。冬季海水溫度約為4~6℃，制熱效果不佳，能效低。由于管線是遠距離輸送，運送途中管線的走向收地貌地質的影響可能會造成水管局部阻力和沿程阻力增加，也增加了很多不確定因數(shù)。由于海水具有腐蝕性，對源側設備腐蝕強，對管材和機組的材料有特別要求，如采用趺合金材料，投資成本增加過大，并且維護費用高。由于以上原因，不采用海水源熱泵系統(tǒng)。水-水式螺桿機組不利于環(huán)保采用水水式螺桿機組，夏季散熱需要安置冷卻塔進行散熱，冷卻置于室外，受海風的侵蝕影響較大，使用壽命短。冬季制熱需要增加鍋爐作為熱源，耗電或耗油、煤。而此項目要求做到低碳環(huán)保，與周圍環(huán)境相協(xié)調，而采用煤油鍋爐+螺桿機組，即無法降耗，并且增加碳排放，對保護周圍生態(tài)環(huán)境有一定影響。因此不采用此系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)是此項目空調系統(tǒng)最正確方案本項目位于海邊，10米以上為沙土層，10米以下為巖石層，為地源熱泵系統(tǒng)提了優(yōu)越的條件，而且地源熱泵系統(tǒng)可不能受到海風的阻礙，具體如下：（1）本項目10米以下為全巖石，巖石密度高，散熱系數(shù)大，增加了埋管的換熱能力；并且周邊面積寬余，適合埋管，增加散熱系數(shù)。（2）地源熱泵機空調系統(tǒng)主機和換熱部分不位于室外也不會與室外空氣接觸，不受海邊天氣的影