地源熱泵系統(tǒng)介紹

地源熱泵系統(tǒng)介紹2.1地源熱泵的概念當今社會，環(huán)境污染和能源危機已成為威脅人類生存的頭等大事，如何解決這一問題，已成為全人類的課題。在這種背景下，以環(huán)保和節(jié)能為主要特征的綠色建筑及相應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)運而生，而開發(fā)淺層地?zé)崮艿臒岜每照{(diào)系統(tǒng)正是滿足這些要求的新興中央空調(diào)系統(tǒng)。淺層地?zé)崮苁琴x存在地球表層巖土體或地表水中的低溫地?zé)豳Y源，是一種新型的優(yōu)質(zhì)清潔能源，具有可再生、分布廣、儲量大、清潔環(huán)保、經(jīng)濟實惠、安全性強和可用性強等特點。它是地球淺表層數(shù)百米內(nèi)（<200米）的土壤巖石和地下水中或地表水中所蘊藏的一種低溫?zé)崮?，其能量主要來源于太陽輻射和地球梯度增溫。與深層地?zé)嵯啾?，淺層地?zé)崮芊植紡V泛、儲量巨大、再生迅速、采集方便、開發(fā)利用價值更大。主要采用熱泵系統(tǒng)（包括地源熱泵、水源2.2國家能源政策支持我國政府高度重視并鼓勵淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用，先后出臺了一系列國家政策。1）2005年2月28日2）2005年11月29日，國家發(fā)展和改革委員會制訂并頒布了《中華人民共和國可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)目錄》，“地?zé)岚l(fā)電、地?zé)峁┡?、地源熱泵供暖或空調(diào)、地下熱能儲存系統(tǒng)”被列入重點發(fā)3）2006年8月，國家財政部發(fā)布《可再生能源發(fā)展專項資金管理暫行辦法》中明確提出“加強對可再生能源發(fā)展專項資金的管理，重點扶持燃料乙醇、生物柴油、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿鹊拈_發(fā)利用。”其中第二章有關(guān)“扶持重點”第七條中提出“在建筑供熱、采暖和制冷的可再生能源開發(fā)利用，重點支持太陽能、地?zé)崮艿仍诮ㄖ镏械耐茝V應(yīng)用。”4）2007年1月，建設(shè)部發(fā)布《建設(shè)事業(yè)“十一五”重點推廣技術(shù)領(lǐng)域》，確定了“十一五”期間九大重點推廣技術(shù)領(lǐng)域，其中“建筑節(jié)能與新能源開發(fā)利用技術(shù)領(lǐng)域”中重點推廣太陽能、淺層地?zé)崮?、生物質(zhì)能及其他能源利用技術(shù)；其中重點推廣建筑節(jié)能改造技術(shù)：供熱采暖制冷系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)。5）2007年6月，國務(wù)院發(fā)布《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》（國發(fā)[2007]15號），明確提出要“大力發(fā)展可再生能源，抓緊制訂出臺可再生能源中長期規(guī)劃，推進風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮?、水電、沼氣、生物質(zhì)能利用以及可再生能源與建筑一體化的科研、開發(fā)和建設(shè)，加強資源調(diào)查評價。6）2009年8月，為貫徹國務(wù)院關(guān)于節(jié)能減排戰(zhàn)略部署，深入做好建筑節(jié)能工作，國家財政部、建設(shè)部聯(lián)合發(fā)出《可再生能源建筑應(yīng)用城市示范》的通知，以調(diào)整建筑用能結(jié)構(gòu)為目的，以可再生能源城市級規(guī)?；瘧?yīng)用為基本途徑，以項目示范為重點，堅持不懈推進節(jié)能減排，提高可再生能源建筑應(yīng)用比例，實現(xiàn)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展的目標。2.3地源熱泵的優(yōu)勢1、屬可再生能源利用技術(shù)地源熱泵是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源（通常小于120米深）作為冷熱源，進行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地?zé)豳Y源可以稱之為地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地?zé)崮芏N藏的低位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47％的太陽能量，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地能也成為清潔的可再生能源一種形式。2、屬經(jīng)濟有效的節(jié)能技術(shù)地能或地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運行效率要高40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運行費用40%左右,即投入1kw電能可以平均獲得4.0kw以上的冷量或熱量。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。設(shè)計安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶30％～40％的的運行費用。3、環(huán)境效益顯著傳統(tǒng)的中央空調(diào)以煤、石油、天然氣等燃料為主要能源，眾所周知這些能源在不斷的減少，總有一天，會接近枯竭；而地源熱泵中央空調(diào)以地下儲存的熱量為主要能源，這種能源取之不盡、用之不竭。煤、石油、天然氣等燃料的價格逐年上升，而地?zé)豳Y源由于來源于太陽的無私奉獻，完全免費。傳統(tǒng)的中央空調(diào)以煤、石油、天燃氣等燃料為主要能源，在消耗和轉(zhuǎn)換的過程中，造成嚴重的環(huán)境污染。經(jīng)權(quán)威部門測試，燃燒一噸原煤向空中排放15公斤粉塵，20公斤二氧化硫、7公斤氮化鉀，而地源空調(diào)在使用中不釋放任何對環(huán)境有害的污染物。4、一機多用，應(yīng)用范圍廣地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)；可應(yīng)用于賓館、商場、辦公樓、學(xué)校等建筑，更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。5、維護費用低在同等條件下，采用地源熱泵系統(tǒng)的建筑物能夠減少維護費用。地源熱泵非常耐用，它的機械運動部件非常少，所有的部件安裝在室內(nèi)，從而避免了室外的惡劣氣候，因此地源熱泵是免維護空調(diào)，節(jié)省了維護費用，使用戶的投資在3～5年左右即可收回。此外，機組使用壽命長，均在20年以上；機組緊湊、節(jié)省空間；自動控制程度高，可無人值守。2.4地埋管式熱泵系統(tǒng)簡介地源熱泵系統(tǒng)原理圖地埋管式地源熱泵分類地耦管土壤源熱泵系統(tǒng)是一個密閉的閉路循環(huán)系統(tǒng)，它保持了地下水水源熱泵利用大地作為冷熱源的優(yōu)點，同時又不需要抽取地下水作為傳熱的介質(zhì)。地耦管土壤源熱泵系統(tǒng)從根本上解決了地下水水源熱泵的種種弊端，是一種真正可持續(xù)發(fā)展的建筑節(jié)能的新技術(shù)，而且還具有適用范圍廣、運行費用低、節(jié)能和環(huán)保效益顯著等優(yōu)點。土壤源熱泵系統(tǒng)中的土壤換熱器埋管方式可分為：水平式土壤換熱器，垂直U型式土壤換熱器，垂直套管式土壤換熱器，熱井式土壤換熱器，直接膨脹式土壤換熱器。1）水平式土壤換熱器

水平地埋管普遍使用在單相運行狀態(tài)的空調(diào)系統(tǒng)中，一般的設(shè)計埋管深度在2～4米

水平式土壤換熱器埋管方式垂直U型式土壤換熱器埋管方式2）垂直U型式土壤換熱器

垂直U型式土壤換熱器是鉆孔將U型管深埋在地下，因此與水平土壤換熱器的比較具有使用地面面積小、運行穩(wěn)定、效率高等優(yōu)點。3）垂直套管式土壤換熱器

換熱器有內(nèi)套管和外套管的閉路循環(huán)系統(tǒng)，水從外套管的上部流入管內(nèi)，循環(huán)時，水沿外套管自上至下的流動，從外套管的底部經(jīng)內(nèi)套管上流到頂部出套管。

套管式土壤換熱器適合在地下巖石深度較淺，鉆深孔困難的地表層使用。通過豎埋單管試驗，套管式換熱器較U型管效率高20～25%。豎埋套管式孔距在3～5m，孔徑在150～200mm，外套管直徑Ф63～Ф90～Ф120mm，內(nèi)套管直徑Ф25～Ф32mm。

目前在歐洲的瑞典采用較多的套管式土壤換熱器，如下圖所示：

垂直套管式土壤換熱器埋管方式熱井式土壤換熱器埋管地?zé)釗Q熱器的傳熱性能在很大程度上依賴于土壤的熱物理性質(zhì)。由于巖土類型（包括粘土、砂石或巖土等）、巖土濕度在不同國家、不同地區(qū)、不同城市，甚至在同一城市的不同片區(qū)都互不相同。因此，設(shè)計和安裝地?zé)釗Q熱器有許多不確定的因素。這些不確定因素都不同程度地影響著地?zé)釗Q熱器的傳熱性能，進而影響地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的正常運行。設(shè)置在不同場合的豎直埋管地?zé)釗Q熱器會涉及不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括各地層的材質(zhì)、含水量和地下水的運動等，這些必然會影響到地?zé)釗Q熱器的傳熱性能和地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的正常運行。在設(shè)計過程中應(yīng)該盡可能地弄清楚這些因素對地?zé)釗Q熱器性能的影響，包括進行必要的現(xiàn)場測試，土壤熱物性最好在現(xiàn)場用專門的儀器進行測定。不同巖土熱物性參數(shù)的單位井深換熱量巖土類別熱導(dǎo)率[W/(m·K)]比熱容[J/(kg·K)]密度[kg/m3]單位井深換熱量[W/m]頁巖0.8358402046.933.79石灰?guī)r0.984890.42281.939.31砂巖1.83810082616.863.78大理石3.4899243256.496.52由上表可以看出，鉆孔地點的巖土物性參數(shù)對單位埋管換熱量的影響非常大。因此，設(shè)計地源熱泵前，掌握準確的巖土物性參數(shù)是非常必要的，研究表明，土壤的地源熱泵的性能系數(shù)COP要比潮濕土壤的COP35%，當土壤儲水量低于15%時隨著含水量的降低，熱泵的循環(huán)性能系統(tǒng)迅速下降。土壤含水量在25%以上，土壤源熱泵的性能將會得到有效的提高，發(fā)含水量超過50%后，隨著含水量的增加熱泵循環(huán)性能系數(shù)提高的趨勢減緩。土壤含水量從50%增加到100%,其COP僅增1.5%1、巖土體熱物性參數(shù)有含水率、密度、飽和度、比熱容、熱導(dǎo)率根據(jù)測試，以上參數(shù)均以大者其換熱效果好。而純土壤、純砂、土砂比分別為1：2及2：1的混合物四種不同的測試對象中，以土砂混合比為1：2的熱導(dǎo)率最大，因此若在土壤中的換熱器的回填土采用土砂混合比例1：2的土砂混合物，可以提高埋地換熱器周圍的局部換熱量。地埋管的敷設(shè)現(xiàn)在常用的地埋管形式，由于受場地的限制，大多工程采用垂直埋管方式。序號項目內(nèi)容序號項目內(nèi)容1地埋管類型垂直地埋管8循環(huán)液平均流速De32,>0.6m/s水平地埋管De25,>0.4m/s2換熱器材料PE1009PE管連接熱熔3換熱器形式De32單U形管電熔De25雙U形管10地下?lián)Q熱影響因素土壤熱物性4垂直埋管間距4～6m土壤溫度特性5埋管井深50～180m地下水滲流6回填材料種類原漿回填鉆孔內(nèi)熱阻混合料鉆孔回填材料7循環(huán)液水乙二醇水溶液鹽溶液不同地區(qū)地源熱泵設(shè)計注意事項地源熱泵的使用具有很強的地域性，南方、北方、中原地區(qū)各不相同，南方地下溫度較高，北方地下溫度較低，而南方以制冷為主，向地下排放熱量大于吸熱量。北方以采暖為主，從地下吸收的熱量大于排熱量，形成地下熱量不平衡的矛盾。要解決地下熱平衡問題需做到如下幾點：首先是對擬建項目進行全年動態(tài)負荷計算，這是設(shè)計地下埋管換熱器大小的依據(jù)，對于北方地區(qū)，可以按照夏季冷負荷設(shè)計土壤換熱器的尺寸，對于南方地區(qū)，可以按照冬季向土壤的吸熱量來計算換熱器的尺寸大小。系統(tǒng)設(shè)計前掌握和了解地下埋管換熱器周圍土壤溫度場的分布，借助于數(shù)學(xué)和工程軟件，對埋管周圍的土壤溫度場分布進行數(shù)值模擬，有利于合理設(shè)計地下?lián)Q熱器的埋深、數(shù)量及間距，對提高熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)和經(jīng)濟性，降低系統(tǒng)初投資具有重要意義。對存在冬夏兩季從土壤中吸排熱不平衡的地區(qū)，應(yīng)對地源熱泵系統(tǒng)輔以其它冷熱形式來平衡埋管換熱器需要多向土壤吸取的熱量。而南方地區(qū)，平衡夏季向土壤排熱量可以采用輔助冷卻塔散熱、利用建筑周圍的景觀噴泉或者地表水來消除峰值負荷。另外就是選取帶熱回收功能的機組，通過利用制冷機的冷凝廢熱來制取生活熱水而減少了系統(tǒng)對土壤的熱排放，也能起到緩解土壤熱平衡的目的。及時對各個地區(qū)已建土壤源熱泵工程的設(shè)計和系統(tǒng)運行情況進行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗總結(jié)，分析土壤源熱泵技術(shù)在各個地區(qū)應(yīng)用的氣候、土壤地質(zhì)條件，從而為后期的工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。地?zé)釗Q熱器方案設(shè)計概算指標項目與數(shù)值每米孔深換熱量/(W/m)建筑面積與地埋管面積之比土層巖土結(jié)合巖石層土層巖土結(jié)合巖石層豎直埋管單U形管30～4040～5050～603：14：15：1雙U形管36～4848～6060～724：15：16：1XX地源熱泵工程技術(shù)流程在工程確定采用地源熱泵或甲方有意圖采用地源熱泵工程時，我方將派專業(yè)技術(shù)人員進行現(xiàn)場勘查，確定是否有足夠范圍供埋管使用。在工程確定采用地源熱泵或甲方有意圖采用地源熱泵工程時，我方將派專業(yè)技術(shù)人員進行現(xiàn)場勘查，確定是否有足夠范圍供埋管使用?，F(xiàn)場勘查現(xiàn)場勘查熱物性實驗熱物性實驗不同工程所在地的地質(zhì)狀況不同，為保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，須打測試孔測定單孔換熱量。根據(jù)工程面積的大小，我方確定試驗孔的個數(shù)。不同工程所在地的地質(zhì)狀況不同，為保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，須打測試孔測定單孔換熱量。根據(jù)工程面積的大小，我方確定試驗孔的個數(shù)。軟件計算模擬擬軟件計算模擬擬方案初步確定將測試孔的數(shù)據(jù)輸入“地?zé)嶂恰蹦M計算軟件。模擬計算出單井換熱量及土壤在方案初步確定將測試孔的數(shù)據(jù)輸入“地?zé)嶂恰蹦M計算軟件。模擬計算出單井換熱量及土壤在15年后的熱物性平衡狀態(tài)。通過以上三步方案確定，最終確定工程的地源熱泵系統(tǒng)方案。方案論證通過以上三步方案確定，最終確定工程的地源熱泵系統(tǒng)方案。方案論證方案修改方案修改在工程實施階段我公司將派出專業(yè)安裝隊伍，嚴格按照標準、規(guī)范執(zhí)行，確保工程質(zhì)量。工程實施在工程實施階段