地源热泵方案书.doc

地源热泵
一、地源热泵介绍
实施可持续发展能源战略已成为新时期我国能源发展的基本方针，可再生能源在建筑中的应用是建筑节能工作的重要组成部分。2004年国家发展和改革委员会发布了中国第一个《节能中长期专项规划》:加快太阳能、地热等可再生能源在建筑物的利用。2006年1月1日《可再生能源法》正式实施，地源热泵系统作为可再生能源应用的主要途径之一，同时也是最利于与太阳能供热系统相结合的系统形式，近年来在国内得到了日益广泛的应用。
地源热泵技术是利用地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低这一特点进行能量转换的空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（电能），即可实现能量从低温热源向高温热源的转移。在冬季，把土壤中的热量“取”出来，提高温度后供给室内用于采暖；在夏季，把室内的热量“取”出来释放到土壤中去，并且常年能保证地下温度的均衡。
地源热泵在结构上的特点是有一个由地下埋管组成的地热换热器，它通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的能量转换。
因为地源热泵只使用电力，没有燃烧过程，对周围环境无污染排放；不需使用冷却塔，没有外挂机，不向周围环境排热，没有热岛效应，没有噪音；不抽取地下水，不破坏地下水资源，所以在最新颁布的《中国应对气候变化国家方案》中提出 :积极扶持风能、太阳能、地热能、海洋能等的开发和利用。积极推进地热能的开发利用，推广满足环境和水资源保护要求的地热供暖、供热水和地源热泵技术。

二、地源热泵系统构成与原理

地源热泵(也称地热泵)是利用地下常温土壤和地下水相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统或地下水，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移与建筑物完成热交换的一种技术。
地球是一个巨大的蓄热体，一年四季其地表5m以下的土壤温度十分稳定，是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。地源热泵机组工作原理就是在夏季从土壤或地下水中提取冷量，由热泵原理通过空气或水作为载热剂降低温度后送到建筑物中，而冬季，则从土壤或地下水中提取热量，由热泵原理通过空气或水作为载冷剂提升温度后送到建筑物中，从而实现的热交换过程。需要特别指出的是：地热泵中的冷热源不是指地下的热汽或热水，而是指一般的常温土壤、地表水、地下水。
地埋管热泵系统以导热好、抗腐蚀、强度高且可绕曲的材料制成管路，内有导热流体(水或防冻剂)同土壤直接换热后，进入水源热泵机组的热交换器与其换热。当制冷供暖面积较小、周围有较大空地时，采用水平敷设地锅管路系统较合理，初投资较小；当制冷供暖面积较大、周围有一定空地时，可采用垂直敷设地锅管路系统，但其初投资相对较大。
与传统的中央空调比较
  燃煤锅炉对环境的污染严重，而燃油及电锅炉采暖造价及运行费用皆较高，让人难以承受，也不符合国家长期发展的能源政策，而地源热泵空调技术是国家科技部重点推广的项目，也是国家节能设计手册优先选用的冷(热)源方式。因此，近十几年来，尤其是近五年来，中国的地源热泵市场日趋活跃。
通常消耗l kw的电能或获取4kw的热量或冷量，与锅炉(电、燃料)和空气源热泵的供热系统相比，锅炉供热只能将90％一98％的电能或70％一90％的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省2／3以上的电能，比燃料锅炉节省l／3以上的能量；由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10℃一25℃，其制冷、制热系数可达3.5—4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40％左右，其运行费用为普通中央空调的50％一60％。
地源热泵系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，地源热泵有着明显的优点，不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。
三、系统流程
具体冬夏季运行流程图为：

四、热泵系统的优点
热泵系统在冬季供热时省去了锅炉房系统，没有燃烧过程，无燃烧设备，避免了有害烟尘和有害物质的排放，从而不存在爆炸、燃烧的隐患。热泵机组运行安全、可靠、稳定，几乎不受天气及环境温度变化的影响，符合环保理念。
与燃气和燃油锅炉系统相比，省去了储油设备和燃气管道的敷设，若是燃煤锅炉系统则可以省去锅炉房及与之配套的煤场和渣场，而夏季制冷时则可以省去冷却塔所占面积，大大减少了机房的占地面积，节约了土地资源，产生附加经济效益，并改善了建筑物的外部形象，提高了建筑物的使用率。
地温一年四季基本稳定，使得热泵无论在制冷或制热工况中均处于高效率。冬季，投入1kW电能，可以得到4kW左右的热能；夏季，投入1kW的电能，可以得到5kW以上的冷量。系统的高效率，压缩机的低能耗，使运行费用大幅减少，只有传统方式的2/3。
热泵系统之所以节能，很重要的一点就是换热器位置的设置，传统的空调系统中，不管是水冷或风冷，其换热器对建筑立面造型均起一定的破坏作用。水冷换热器须配置冷却塔，且必须置于大气中，风冷机组也一样，都要暴露于建筑物之上的大气之中，这难免要对建筑立面造型造成不好的影响。风冷换热器和水冷换热器的换热环境均为大气，和大气换热不可避免地受到环境条件变化的影响。在夏季，当室外温度达到40 ℃时，由于换热效率的降低，主机的制冷量将下降20 %～40 %；在冬季，当室外温度下降到- 10 ℃时，供热量将下降到15 %～30 % ，而且要反复地冲霜来保证机组的正常运行。而对于地源热泵机组来讲，换热过程是和大地来完成的，换热对象是1.5 m以下的地层，其初始温度大约等于年平均气温，一般在14～16 ℃左右，基本不受外界环境的影响。
众所周知，普通空调对环境的影响是不言而喻的，它不仅对大气臭氧层造成严重破坏。夏季，风冷机组将废热排入大气，使室外温度升高，还将水蒸气带入大气中；冬季，风冷机组吸收大气环境中的热量，导致恶劣的大气环境更加恶劣。因此，要保证空调运行对环境不产生任何影响，必须要改变换热对象，即不与大气换热，而变成与大地换热。在换热过程中，地下换热器在夏季将多余的热量排到大地中，在冬季又将热量取回，以达到冬夏取散热量平衡，达到制冷和供暖的目的。
五、室外换热系统介绍
1、地埋管换热系统介绍
地埋管换热系统是地源热泵空调系统的核心和关键，热泵机组冬季需要通过地埋管换热系统从地下提取热量，实现建筑的供暖；夏季又需要通过地埋管换热系统向地下释放建筑内的热量，而实现建筑的制冷。室外地埋管换热系统是在钻凿成的换热孔内安装高密度聚乙烯管（HDPE管），通过HDPE管内的换热液不断循环，来实现地层与换热液、换热液与机组、机组与房间内空气之间的热交换。
2、地埋管的设计方法
地埋管的设计主要是针对工区的地质、水文地质条件，结合系统运行工况，计算地埋管的换热量和满足负荷要求所需的换热管长度。
3、现场测试和优化
为了使设计参数更加优化、合理，在项目正式实施之前，我公司将结合首批换热孔的施工，采用自主开发的测试仪器，对多组采用不同回填料方案和不同PE管安装方案的换热孔进行测试，通过实测对比。对初步设计参数进行校验和优化，使换热孔的实施方案更加优化、合理。
4、竖直埋管管材及技术参数
地埋换热管将采用抗高压的高密度聚乙烯管（HDPE100），技术参数为：管外径32mm、管壁厚3mm、承压能力1.6MPa。
其具有接口稳定可靠、抗应力开裂性好、耐化学腐蚀性、水流阻力小、耐磨性好、耐老化、使用寿命长等多种优点，除了应用在地下换热孔中外，还广泛应用于城镇供水、天然气、煤气输送管道、食品、化工等领域。
5、施工工艺和质量保证措施
地埋管系统作为整个地源热泵系统的核心和关键，其质量的好坏直接关系到整个系统的安全；而且工程一旦完成，其将不可修复。因此，针对地源系统工程的为隐蔽性工程的特殊性，我公司在多个类似项目经验的基础上，形成了一整套完善的地埋管系统质量保证措施，主要包括换热管质量、施工下管的独特技术以及换热孔回填料的选择等方面保证工程质量万无一失。通过质量控制措施，可确保室外换热管系统使用寿命在50年以上。换热孔通过地面联络管分区连接后，分别汇入机房内。循环液在完全封闭的地下管路中流动，对地下环境无任何污染。
六、土壤源热泵系统的中央空调系统自动控制
系统概述：冷热源采用地源热泵机组。热水供回水设计温度为45℃/40℃。
冷热源采用土壤源。
空调自控系统：本建筑地源热泵机房自控系统纳入园区楼宇自控系统。
1、机房自控系统采用DDC系统，监控地源热泵机房系统运行，设备的运行状态和相关的运行参数。
2、监测地源热泵机组的运行（显示运行故障、远程开停机、事故报警）。
监测机组的进出水温度显示、水流开关显示；
3、空调末端水系统采用一次泵定流量闭式循环系统，在分集水器间安装压差旁通装置保证系统工作压力及冷水机组定流量运行。
4、 水泵的运行状态、故障显示、水流开关显示、远程启停、运行压力显示、分集水器、温度显示； 地源水泵系统为闭式循环系统，水泵的运行状态、故障显示、水流显示、远程启停 运行压力显示 。
七、设备的开停机顺序：
开机顺序：地源循环泵 末端循环泵 地源热泵主机
停机循序：与开机顺序相反。
设备的运行与对应的电动阀门的开启要求联动；
空调自控系统由暖通专业提出要求，由专业厂家负责设计安装。
八、社会环境效益分析
地源热泵是一种新型清洁能源利用方式，借助土壤的有利条件，充分利用从土壤中提取有效能量作为建筑能源，可减少燃煤、燃油、燃气对大气环境的污染，提高环境质量；因此，其社会效益、环境效益明显。
绿色环保
目前该地区大气环境污染主要是燃煤、燃气，尤其是冬季采暖，多以燃煤锅炉为主。采用地源热泵方案，每年减少向大气排放的大量二氧化碳（CO2）一氧化碳(CO)、碳氢化合物、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)。
地源热泵空调系统，仅使用少量电能驱动便可达到冬季采暖、夏季制冷的目的，是一种新型的绿色环保的能源方式。在民用建筑及公共建筑的建设中，地源热泵系统，不仅具有改变大气环境的实际功效，还可作为体现“绿色环保”的形象工程。
促进环保节能技术的发展
浅层地源热泵系统在国外已有十几年的运行历程，形成了一套比较完备的技术和经验。该项技术目前在国内也得到了重视，很多大型的工程已经投入运行且目前运行状况良好，通过该项目的实施，对于促进城市环保节能事业的发展，是十分必要和有益的。
本工程采用地源热泵系统为建筑提供热源，充分利用自然条件，初投资经济，运行费用相当省，经济效益显著。符合国家“十一五”计划中节能减排的标准。

地源热泵施工方案
根据工程特点，采用竖直埋管形式，打井口径220mm，有效深度100m，井内安装双U管，钻孔平均间距4m。本工程地下换热器主要布置于室外小院，共设3个回路。
1、施工工艺
地埋管换热器安装主要包括钻孔、试压、下管、回填等工序，主要施工工艺流程如下：
2、施工准备
熟悉现场及施工图纸，进行施工准备，包括人员、机具及现场临设，对施工人员进行有针对性的交底工作。
2.1.专用设备材料进场：
2.1.1钻井机，钻机为专业土壤热泵系统用小型钻机，可在打孔后直接将预制好的双U型管道下到孔内，施工速度快，质量好，设备使用简便。
2.1.2专用回填泵：专为地源热泵井下换热器设计，适用于各类流质回填材料，科学的泵入压力及流速，使回填的材料密实无空隙，保证井下换热器换热效率。
2.1.3井下换热管（PE管）专用焊机：保证井下及埋地水平管焊缝严密性，提高系统可靠性。
2.1.4准备专用管材（双U形）、本工程地下换热器采用高密度PE管，每口井采用双U形管布管方式。
2.2放线
参照现场建筑基准点和已有建筑物进行放线，按照施工图纸标定换热孔的位置，并根据现场基础桩基位置对钻孔进行适当调整，在每口井位置钉40*40mm木桩，以保证打孔位置准确。
2.3竖立钻机
2.3.1以钻孔点定位塔架底盘，采用水平尺对底盘横向、纵向进行找平，水平度≤0.5mm/m；
2.3.2底盘定位后，安装塔架竖杆，利用铅锤和直尺测量塔架的垂直度，保证塔架竖杆垂直；
2.3.3安装钻机头、钻机提升装置和钻头充水（泥浆）等附属装置；
2.3.4按要求挖好沉淀池及泥水沟，并使其畅通。
2.3.5对钻机及附属装置接电、接水管，对每台设备进行点试，确定转向。
3、钻孔
3.1开钻前须确定转向无误，并重新校核塔架底盘，竖杆的水平和垂直度；
3.2施钻过程中应按5米/小时的速度为宜，密切注意钻机及附属设备的运行情况，发现异常应及时处理，防止拉断钻杆和接头丝扣、跌落钻头等现象发生，并时刻做好记录；
3.3施钻过程中钻机长和操作手应定时对钻机及附属设备进行巡回检查，及时做好维护和保养工作，提高工作效率；
3.4 当孔钻到要求深度后，应对孔反复进行通孔，为下换热管创造顺利条件。
4、下换热管
4.1试压：下换热管之前按设计要求进行水压试验。在试验压力下，稳压至15min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄漏现象。将其密封保持有压状态，准备下管。
4.2下管
4.2.1为保证换热效果，防止支管间发生热回流现象，四根换热支管之间需保持距离，下管前采用分离定位管卡将四根换热管进行分离定位，分离定位管卡的间距为3米（如图所示）；
4.2.2下管采用下管机下管，速度要均匀，防止下管过程中损坏管道，如果遇有障碍和不顺畅现象，应及时查明原因，待做好处理后才能继续下管，最后地面上要保留2m左右的换热管，将换热管进行固定，防止下滑到井内，造成管道无法使用，甚至废井；
4.2.3换热管道到位后，提起下管钻杆，提杆过程中应防止换热器上浮，如发现上浮立即采取措施，确保管下到位。
5.回填
5.1回填方式：我公司采用从地下反浆回填的方法灌回填料。回填泵采用进口高压力的柱活塞泵，由孔底部位注入填料向上反填，逐步排除空气，确保无回填空隙，保证了传热效果。
5.2采用专用回填设备：回填料灌料时，要求高压回填。若人工回填，压力不够空隙较多，严重影响传热效果，无法达到设计参数，系统供冷、供热均无法实现。。
5.3回填完后将留在地面的管道管口进行封堵保护并进行标记，防止后续施工造成损坏。
6、水平环路集管施工
6.1.材料检验和储存：管件和管材的内外壁应平整、光滑，无气泡、裂口、裂纹、脱皮和明显痕纹、凹陷；管件和管材颜色应一致，无色泽不均匀；装卸运输和搬运时应小心轻放，不能受到剧烈碰撞和尖锐物体冲击，不能抛、摔、滚、拖，避免接触油污，在储存和施工过程中要严防泥土和杂物进入管内。
6.2.连接方式：管材采用热熔连接。
6.3.施工步骤：
6.3.1当室外水平管路施工开始后，将各分区的汇总管道的位置及走向标示出来，对管道走向进行放线后进行管沟开挖。开挖沟槽时要严格控制槽底标高和防止扰动槽底原状土，槽底有弧石等坚硬物体时，要在清除后进行处理；
6.3.2按图纸要求将各分区内的U形管连接成系统，并分别引至机房主机安装位置。施工时水平管下垫沙层，管道连接时必须按照厂家施工技术规范标准进行。
6.3.3竖直地埋管换热器与集管装配完成后，回填前应进行第二次水压试验。在实验压力下，稳压至少30min，稳压后压力降不应大于3%，且无泄露现象。试压合格后继续将系统密封、保压；
6.3.4总管的连接及试压：各分区管道连接并试压完毕后，将各分区分集水器连接到总分集水器。水平管沟回填前，进行的三次水压试压，在试验压力下，稳压至少2小时，且无泄漏现象。然后进行回填，回填方式同各分区水平管道。
6.3.5水平管道回填：首先调整水平管的间距、平整度。施工时水平管下垫沙层，连接完毕后上部用原土回填并进行夯实。
6.3.6地下换热器系统冲洗、试压及其他
6.3.6.1总分集水器管道连接到热泵机房，所有管道系统连接安装完毕后，进行系统注水冲洗、排气，系统冲洗约30分钟，直至出入水口的流量、清澈度都基本一致，并不再有气泡产生，必要时可用水泵进行冲洗、排气。
6.3.6.2系统管道全部安装完毕，且冲洗、排气及回填完成后，进行第四次水压试验，在试验压力下稳压12小时，稳压后压力降不应小于3％。
6.3.6.3在管道系统最高点处加自动放气阀，最低点处加手动排水阀
7、系统连接
室外系统施工完毕，打压合格冲洗完毕后，与机房内设备进行连接，完成地源热泵埋管部分施工。