地源热泵系统三种形式对比.doc
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1、地源热泵系统三种形式对比 作者: 日期:20 个人收集整理 勿做商业用途关键字:地下 供热 土壤 空调系统 空调 热量 热泵 采用 系统 地源热泵系统三种形式对比随着全球性的能源危机和人类对环保要求愈来愈高,人们不断舍弃传统冷暖方式,而采用更加先进、更加节能的制冷、供热技术及产品。埋管式地源热泵中央空调系统被称作二十一世纪最有效的冷暖中央空调技术.这项技术冬天不用锅炉房,夏季不用冷却塔,不燃煤、不燃油、不燃气,也不打井,不取地下水,不破坏地下水资源,不造成空气热污染,不产生任何废气和废弃物,具有零污染的良好品质。夏季能供冷、冬季能供暖,同时还可以供生活热水,实现“三联供,而且具有投资少、运行费
2、用低等十大特点。我国党和各级政府把节约能源和环境保护作为可持续发展战略的重要内容。我国当前的能源形势:我国能源消费总量位居世界第二;我国能源总量人口平均水平不足世界平均值的50%;中国建筑能耗的总量逐年上升,已经占到能源消费总量的27。45;我国9成以上属于高能耗建筑;我国建筑能耗是西方国家的三倍以上;在建筑能耗中,有将近55%是采暖和空调能耗,且仍在上升中;我国二氧化硫排放量居世界第一位;我国二氧化碳排放量居世界第二位. 什么是地源热泵?什么是埋管式地源热泵?地源热泵是一种中央空调工艺方式。它利用地表水、地下水或地下浅层土壤地温为冷热源,既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少
3、量的高品位能源(如电能),实现低温位热能向高温位转移.在冬季,把地能中的热量“取出来,提高温度后,供给室内采暖;夏季,把室内的热量取出来,释放到地能中去。通常地源热泵消耗1 KW的能量,用户可以得到4KW以上的热量或冷量.地源热泵系统分为三种形式,一种是采用地表水的方式,即江、河、湖、海等;另一种是采用地下水的方式,也有的称“水源热泵”中央空调系统;第三种是埋管式,也有的称为“地耦式地源热泵”中央空调系统。地源热泵几种类型的对比,确定了开发土壤源热泵的方向。下面我们对三种地源热泵形式进行对比分析: 类型埋管式土壤源地下水源地表水源水资源法规不受限制,国家鼓励受限制,审批严格受限制,需审批地理纬
4、度适用我国长江以北地区适用我国长江以北地区受影响,要求地表水温冬季大于7 C,夏季小于30 C建筑物 与地源距离不受影响,在建筑物周围垂直埋管即可长期抽水会造成地面沉降,井位密度和井距都有严格要求取水距离不宜过远寿命及 可靠性不受影响,地下埋管可使用50年水井的取水量受地下水位的变化影响很大,水井的使用寿命受很多因素的影响取水量受地表水位的变化影响,输水管道的使用寿命比土壤源垂直埋管低得多结论通过以上类型对比分析,埋管式地源热泵是最适合我国的,虽然其他二种类型也有其固有的优点,但就我国的软硬件条件来看,还是存在一定的不合理和不可执行性,不宜在我国广泛推广.地源热泵地下换热器嵌套工艺地源热泵地下
5、换热器与建筑物桩基的嵌套工艺摘 要:地源热泵垂直埋管方式具有换热效率高的优点,但由于钻孔施工费用较高而应用受到限制。充分利用建筑桩基,在预制管桩、灌注桩、地下连续墙内敷设U型换热管,可省却钻孔工序,大大减少地下换热器的施工费用而降低系统初投资。关键词:地源热泵;地下换热器;灌注桩;预制管桩;嵌套工艺地源热泵以其高效、环保、节能等诸多优势发展迅猛,代表着节能型中央空调的发展趋势。地源热泵有垂直埋管式、地表水式、地下水式等多种应用方式。其中垂直埋管方式具有换热效率高、地下换热系统占地面积小的优点,但由于初投资较高而应用受到限制。钻孔施工费用居高不下是造成初投资较高的主要原因。地下换热器与建筑物桩基
6、嵌套,即在预制管桩、混凝土灌注桩、地下连续墙内敷设U型换热管,省却钻孔工序,节约施工费用,更能有效的利用建筑物底板下的面积。同时,由于桩基的间距较大,U型换热管的相互热影响几乎为零,地下换热器的工况更为稳定.这种技术的推广将为绿地面积小、容积率高的建筑物提供新的应用空间,必将成为垂直埋管方式新的应用典范。一、工艺介绍上海地区土壤垂直分布基本上可划分为4层:粘土层、淤泥层、粉质粘土层和粉沙层。该地区土层较软且厚度大,故建筑物必须采用深基础,建筑物基础是以预制管桩和灌注桩为主,适宜采用地下换热器与建筑物桩基的嵌套工艺。1、预制管桩内U型换热管敷设工艺预制管桩主要是钢筋混凝土实心桩或空管桩,也有木桩
7、或钢桩。其中空管桩桩管直径一般400mm、550mm,管壁厚为80mm,中间空腔直径为240mm、390mm,可以在空腔内埋设单U型换热管或双U型换热管,达到节省施工费用的目的。下管是地源热泵工程中关键之一,因为下管的深度决定采取热量的多少,所以必须保证下管的深度。下管前应将U型换热管与灌浆管捆绑在一起,并采取防止U型管上浮的措施.在预制管桩口处放置麻袋之类的衬垫物品,以防止下管过程中换热损而导致其耐压等性能下降。因为在做承台时,管桩内埋管要接出去承台,所以管子的长度应大于桩深度再加承台高度的长度。回填工序也称为灌浆封井,回填的目的是强化U型换热管与预制管桩壁之间的传热,用注浆泵或泥浆泵将回填
8、物高压从桩底向上封入,回填物中不得含有大粒径的颗粒,回填时必须根据灌浆速度的快慢将灌浆管逐步抽出使混合浆自下而上回灌封井,确保回灌密实,无空腔,减少传热热阻.当上返泥浆密度与灌注材料的密度相同时,回填过程结束。2、灌注桩和地下连续墙内U型换热管敷设工艺灌注桩是在钻好的孔内下入钢筋笼并灌注混凝土而筑成的深基础。地下连续墙是在泥浆护壁的条件下向地下钻挖一段狭长的深槽,在槽内吊放入钢筋笼,然后灌注混凝土,筑成一段钢筋骨混凝土墙段,并把每一墙段逐个连接起来形成一道连续的地下墙壁。由于灌注桩的孔径较大,可以在钢筋笼上放置多组U型管并在桩身内部可以并联汇聚(也可以适当串联)后再引出桩身,引出管要做好保护措
9、施以防止土建方在对桩头进行处理时破坏到U型换热管。U型换热管可以放置在钢筋笼的内侧,也可以放置在钢筋笼的外侧,用尼龙扎带将其固定在钢筋笼上,并做好对U型管的保护。垂直管水平连接工艺:将垂直管引出承台在桩口处弯曲垂直管使其从套管中穿过,在承台施工完毕后先进行压力试验再熔焊接入水平总管上,以确保接入总管上的热交换管(D32,HDPE)的完好,无渗漏;待每根总管上的孔全部连接完毕后进行压力试验并观察总管上与各个支管相连处的熔焊焊缝有无渗漏;然后将供回水分别接至相应的分集水器;回填水平管,用沙子或泥土在管道层面上覆盖15cm厚。二、工程应用实例采用桩基内敷设地耦管形式的地源换热系统,即在建筑物桩基(预
10、制管桩、灌注桩和地下连续墙)内敷设U型换热管,一定数量的U型换热管水平集结,形成若干组同程(或异程)换热回路,汇集至集、分水器,达到为建筑物空调系统提供冷热源的目的。实例1:某办公楼地源热泵空调工程,总建筑面积为4300 m2,空调面积为3500 m2,总冷负荷为450 KW.采用空桩管双U埋管式地源换热系统,即在本工程241根预制管桩(400500mm,其深度在4145m之间)内埋设双U型地耦管,所有的地耦管内地源水汇集到供水集管,通过循环泵送到室内的地源热泵机组,经能量交换后,回到地埋管路。桩基概述本工程采用预应力混凝土400,500二种型号管桩,选用第8-2桩尖持力层有效桩长,共三个区,
11、区为41米,区为43米,区为45米。400预应力管桩162根,500预应力管桩81根,共计:243根。柱为14 6枚,间距为9 9m。土壤性质及回填物热工参数根据本工程钻孔勘察报告,分析得出,土壤在0-50米深范围内大致可分为如下几层,具体见下表.表1 土壤分布状况地层标高(m)主要土类2。17粘土、淤泥-21.27淤泥、粉质粘土-33.87粘土-33。07粉质粘土43.77粘土49。34细砂、粉质粘土、圆砾本区域主要以粘土、细砂、卵石为主,湿度以湿、饱和为主,本区域土壤传导率为1。6 W/m.k,回填物选用细纱和饱和粘土(或膨胀水泥+粘土),属于重饱和潮湿性土壤,导热系数为1.9 W/m。k
12、。本工程其它热工参数土壤平均温度为660F(19);为了保持热泵高效率(EER10或COP3。4)则热泵进水温度最低为460F(8),最高为860F(30)。地下热交换器换热量计算根据宁波地区供暖期一般为60天,夏季制冷期120天,计算得出本工程土壤年度吸热量(制热工况)、年度散热量(制冷工况)为如下数据:Q年度吸热量 =280*106Btu Q年度散热量 =1512*106Btu再计算D32聚乙烯垂直式U环路地耦管道长度(插孔深度为40米)L总吸热长度=1440m L总散热长度= 7212m从上得知总年度吸热长度(1440m)小于总年度散热长度(7271m),则以总年度散热长度作为本建筑土壤
13、热交换器设计长度。又根据土壤性质表和热工特性表,得知土壤热工参数如下:传导率=1。6 W/m。k扩散率=0.0200。011m2/h 回填料=1。9 W/m。k覆盖层厚度为100查垂直式U环路长度修正系数表,得出土壤热交换器长度修正系数为2。4,则最后土壤热交换器长度修正为L=72712.4=17450m根据以上相关参数,知所需管桩个数:N桩数=17450/(40*4)=218个S柱距=9m 9m按照土建图纸上240个桩位布置图,将218个桩孔内地耦管路设计8个同程环路通过同程水平集管连接集中到集、分水器。完全采用桩位内敷设双U型换热管的方式能大大满足该办公楼冷(热)负荷要求,因此不需要钻取地
14、耦孔作为补充,初投资费用节省。实例2:德国波鸿市Stadtwerke(波鸿)公司办公楼,采用104组桩基埋管,在桩基钢筋笼内嵌套地耦管的方式.图2 钢筋笼内嵌套地耦管完成图片三、结束语地下换热器与建筑物桩基嵌套工艺具有省却钻孔工艺而降低初投资,节省地下换热系统分布面积等优点,将为地源热泵空调系统的应用开辟更为广阔的前景。但是由于可利用的桩基个数有限,采用这种嵌套工艺往往只能承担空调系统部分负荷,因此需要钻取地耦孔作为冷热源补充。嵌套工艺施工过程需要土建方密切配合.地源热泵节能的主要体现地源热泵节能主要体现这些方面:地源热泵系统的冷热源是利用地下浅层地热资源即可供热又可制冷的高效节能空调系统。地
15、源热泵通过输入少量的高品位能源(电能),实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源。其能量来源是低温热源,对环境没有污染,效率高,能够很地适应建筑物制冷和供热的环保、节能要求.地源热泵系统构成:潜水泵(水源热泵)或埋管(地源热泵)、循环泵、末端(供热:地板采暖、制冷:风机盘管),没有冷却塔、没有污染、节约能源;是一项值得推广的好项目。电磁热泵与水/地源热泵随着经济的发展及人民生活水平的提高,人们对生活热水需求量迅猛增长.但是,由于大气环保加大了执法力度,燃煤锅炉房纷纷面临改造,又由于燃油、燃气甚至直接用电产生热水的成本过高,且非“可持续发展”的长久之计,因此,
16、近年来以太阳能为供热源的热水器产业发展速度递增。 然而,由于我国太阳能资源分布有着地区上的较大差异,南方大部分地区全年的晴天率不足50,这就意味着在满负荷利用太阳热水器的情况下,相当一部分热是来自电或燃气,所以,利用太阳能来生产热水仍然具有一定的局限性。与之相比,热泵作为一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热,经过电力做功,输出能用的高品位热能的设备,其技术已成为全世界备受关注的新能源技术如今我国主要利用三种热泵技术,分别是空气源热泵,水源热泵,以及地源热泵。此外,新出现的电磁热泵采暖技术也大有与传统热泵技术一较高低之势。对于各种热泵技术的优劣评价以及改进方法,请看以下具体分析。空气源热
17、泵技术空气源(风冷)热泵目前的产品主要是家用热泵空调器、商用单元式热泵空调机组和热泵冷热水机组。热泵空调器已占到家用空调器销量的4050%,年产量为400 余万台。热泵冷热水机组自90 年代初开始,在夏热冬冷地区得到了广泛应用,据不完全统计,该地区部分城市中央空调冷热源采用热泵冷热水机组的已占到2030%,而且应用范围继续扩大并有向此移动的趋势。目前设计选用的风冷热泵冷热水机组,常根据计算得到的冷热负荷,考虑同时使用系数及冷(热)量损耗系数后,按机组铭牌标定值选择机组台数。由于空气源热泵机组的产冷(热)量随室外参数的改变而变化,这种选择方法可能造成机组选得过大,造成浪费;或者选得过小,使供冷(
18、热)量不足,达不到使用要求.为此建议采用空调的逐时冷热负荷和热泵机组的供热供冷能力的逐时变化曲线对照选择,会得到比较满意的结果。此外,空气源热泵冬季供热运行时,最大的一个问题就是当室外气温较低时,室外侧换热器翅片表面会结霜,这便需要采取一定的除霜措施.文档为个人收集整理,来源于网络个人收集整理,勿做商业用途然而目前常用的一些方法,或多或少都存在一些问题,如发生多余的除霜动作,或需要除霜时而不发出信号等弊病存在。专家认为:采用自调整模糊除霜控制的思路及系统的基本结构。确定室内外大气温度、相对湿度之差及翅片温度的变化率等作为输入论域,经对输入量的模糊化和模糊推理方法,在高位机上实现模糊除霜控制的仿
19、真,采用这种方法除霜经与实验数据对比,判别结果与实际情况较吻合。这种方法与常规除霜方法相比,不仅延长了制热工作时间,减少了除霜次数和除霜损失,而且使机组工作性能和可靠性得到了提高。水源热泵技术虽然目前空气源热泵机组在我国有着相当广泛的应用,但它存在着热泵供热量随着室外气温的降低而减少和结霜问题,而水源热泵克服了以上不足,而且运行可靠性又高,近年来国内应用有逐渐扩大的趋势。一般情况下,水源热泵从16的井水中提取热,经电力压缩机对循环的工质做功,可以达到输出热水温度52,而其输出热量与输入电功率之比为3.51,比直接用电采暖节省电力72。这种热水可以利用风机盘管向房间供暖。夏季,又可利用同一装置制
20、冷,做到一机多用,即节省初投资,又节省运行费。在有条件提供地下水源的情况下,是一种理想的节能系统装置。但在大部分地区,由于受到水源开采的限制,实际推广工程中难度很大。针对水源热泵的设计及应用过程中须注意的问题,清华大学建筑技术科学系某知名学者指出:首先必须探明是否有适合的水源供给,同时应考虑水源的温度、水量是否满足要求。文档为个人收集整理,来源于网络本文为互联网收集,请勿用作商业用途另外,甲方能够承担的开采利用成本也必须进行技术经济比较.对于开式水源热泵系统,水质要求则更高。除此之外,还需要考虑当地水文、地质、气象条件以及工程措施的影响,如:1)、全国不同气候带、不同区域的水源热泵技术适用性问
21、题研究.包括在不同气候带、不同地区和不同建筑类型的条件下,水源热泵的投资经济性比较。2)、对现有水源的探测开采技术的提高和成本的降低问题.3)、地表蓄水体的传热过程分析,地下水的传热流动过程分析.4)、取水构筑物对于邻近建筑的影响,包括地面沉降问题,单井对建筑基础的影响.5)、深井回灌式水源热泵的回灌问题。在水源热泵的设备方面,也要充分考虑温差(取水和回灌水之间温差)与流量的合理利用,以及对于住宅水源热泵系统的外网运行费用分担问题。地源热泵技术地下土壤中蕴藏着丰富的温度资源,夏季地下土壤的温度低于地上空间的温度,冬季地下土壤的温度高于地上空间的温度。地温热泵技术就是利用这种季节性温度差,通过专
22、门装置在夏季将地下土壤的低温资源转换到地上空间制冷,在冬季将地下土壤的高温资源转换到地上空间供热。其实从本质上来说,地源热泵也是空调,同样会衰减:冬天,它从地下吸取热量来供热。但用上十年,这种装置会比其他大多数的系统都更有效地供热。如果把一定的能源放进一个熔炉,制热时,所收回的或许会远远小于所放入的能源。但如果把该部分能源放进一个热泵,将收回三倍的效力。这是因为热泵不需要使用能源来造热;取而代之的是,它是转移已经存在的热量。究其特点分析,地源热泵系统可实现对建筑物的供热和制冷,还可供生活热水,一机多用。一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统.系统紧凑,省去了锅炉房和冷却塔,节省建筑
23、空间,也有利于建筑的美观。地源热泵系统的另一个显著的特点是大大提高了一次能源的利用率,因此具有高效节能的优点。地源热泵比传统空调系统运行效率要高约40-60%。另外,地源温度较恒定的特性,使得热泵机组运行更可靠、稳定,整个系统的维护费用也较锅炉制冷机系统大大减少,保证了系统的高效性和经济性。迄今为止,制约地源热泵系统在我国应用的障碍主要是在地下埋管的初投资较高,以及政府、建筑设计人员和公众对这一技术缺乏了解。地源热泵空调系统的经济性取决于多种因素。不同地区,不同地质条件,不同能源结构及价格等都将直接影响到其经济性。根据国外的经验,由于地源热泵运行费用低,增加的初投资可在3-7 年内收回,地源热
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