地源热泵技术讲座_三_地源热泵系统的选择

·122· 1 地源热泵系统的比较与选择 (1)系统类型的比较 地源热泵包括地埋管地源热泵、地下水地源热泵和地 表水地源热泵3种系统。 地埋管地源热泵利用地下岩土中的热量,通过载热介 质在封闭地下管道中的流动,实现系统与大地之间的传 热。地下岩土温度适宜、稳定,不需要抽取地下水作为传热 的介质,但导热系数较小,埋设换热器需要较大的场地,系 统投资也较其它方式高。 地下水地源热泵直接利用从水井中抽取的地下水,水 质比地表水好,温度可常年保持恒定,运行工况稳定。但目 前国内地下水回灌技术还不成熟,易造成地下水资源的流 失、水质污染及地面沉降等问题。 地表水地源热泵利用大体量自然水体或大流量排水, 系统比较简单,但受水源的限制和气候的影响较大。地表 水传热性能也较好,但可能受到水质的影响。 3种地源热泵系统的主要区别在于室外地能换热系 统(表1)。 收稿日期:2008-04-15。 作者简介:胡连营(1963-),男,辽宁营口人,研究员,硕士,从事热能利用技术的研究与开发。E-mail:hu-ly@126.com 地 源 热 泵 系 统 的 选 择 地源热泵技术讲座(三) 胡连营 (辽宁省能源研究所,辽宁 营口 115000) 中图分类号:TK523 文献标志码:B 文章编号:1671-5292(2008)03-0122-03 表1 地源热泵室外地能换热系统的比较 室外地能换热系统 地埋管系统 地下水系统 地表水系统 比较内容 换热强度 土壤热阻大,换热强度低 水质比地表水好,换热强度高 水热阻小,换热强度比土壤高 运行稳定 运行性能比较稳定 短期稳定性优于地表水,长期可能变化 气候影响较大 建设难度 设计难度、施工量及投资较大 设计难度、施工量及投资较小 设计难度、施工量及投资最小 运行维护 基本免维护 维护工作量及费用较大 维护工作量及费用较小 环境影响 基本无明显影响 对地下水及生态的影响有待观测和评估 短期无明显影响,长期有待观测和评估 使用寿命 寿命在50年以上 取决于水井寿命,优质井可达20年以上 取决于换热管或换热器寿命 应用范围 应用范围比较广泛 取决于地下水资源情况 取决于附近是否有大量或大流量水体 占地面积 较多 较少 不计水体占用面积,占地最少 地下水系统和地表水系统的换热性能好,能耗低,性 能系数高于地埋管系统,但是由于地下水、地表水并非到 处可得,水质也不一定能满足要求,且地下水取水回灌工 艺对生态环境的远期评价尚未定论,其使用范围受到一 定限制。因此,欧、美等国主要研究和应用的地源热泵系 统以及我国研究的重点均是地埋管系统。 地埋管系统在生态和水资源保护及使用范围等 方面占有优势,但在经济性方面缺乏竞争力,投资和 运行费用相对较高。另外,地埋管系统缺乏系统设计 数据以及较具体的设计指导,在一定程度上也制约了 在我国的推广应用。 (2)系统类型的选择 对于地表水和地下水源缺乏的地区,或者利用地表水 和地下水并不经济时,地埋管系统也许是最佳的选择。 选择地埋管系统要考虑的问题:①空调建筑附近的场 地(空地、草坪、停车场等)面积是否能满足设计工况下的 放热量和吸热量要求;②根据场地面积和经济因素选择水 平埋管方式或垂直埋管方式;③每年从地下取热和向地下 排热的总量是否基本平衡,如不平衡,则需要设置补充热 源或辅助散热措施。通常,这种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 也可降低整个系统的 可再生能源 RenewableEnergyResources 第26卷 第3期 2008年6月 Vol.26No.3 Jun.2008 ·123· 初投资,也可供地下水系统借鉴。 若当地政策允许,地下水量充足、水质好或便于处理,可 以考虑采用地下水系统。 选择地下水系统要考虑的问题:①合理布置井群以保证 出水量满足设计要求;②以切实可行的地下水回灌措施和监 测手段来防止地下水资源的破坏;③如果水质不适合直接进 入水源热泵机组,则需要另设换热器将地下水与机组隔开。 如果建筑附近有可利用的湖、河、海或水池等大体量 水体,或者有可利用的污水、生产废水或工艺循环水等大 流量水体,地表水系统可能是最具有节能优点而又最经济 的系统。 选择地表水系统要考虑的问题:①水质是否会引起腐 蚀、堵塞和换热强度降低;②水量和水温是否满足设计工 况要求;③当地表水输送距离较远时,需要评价输送费用, 以免影响整个系统的性能系数。 2 地源热泵系统的基础与勘察 (1)基础资料与现场调查 只有掌握了准确详实的基础资料,才能为系统选择、 可行性论证及工程设计提供可靠的依据,才能保证系统长 期稳定地运行。 地源热泵系统方案的确定必须以下列资料为基础:① 建筑面积、性质、用途、位置;②室外可利用场地情况及周围 环境;③建筑特点及其对空调的要求,是否有生活用热水的 设计要求;④目前可利用的常规能源相关参数与价格等;⑤ 气象参数;⑥水文地质调查数据资料或工程勘察 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 。 在地源热泵系统方案设计前,除了进行必要的数据资 料收集,还应该进行工程场地状况调查。工程场地状况调 查应包括下列内容:①场地规划面积、形状及坡度;②场地 内已有建筑物和规划建筑物的占地面积及其分布;③场地 内树木植被、池塘、排水沟及架空输电线、电信电缆的分 布;④场地内已有的、计划修建的地下管线和地下构筑物 的分布及其埋深;⑤场地内已有水井的位置及其相关数据 资料;⑥场地内供施工用的电源和水源情况。 (2)工程勘察 在现场调查基础之上,还应做详细的工程勘察,为系 统选择、可行性论证及工程设计提供依据。工程勘察是一 项长期受益的工作,必须给予应有的重视。节省勘察费用 未必会减少投资,却可能导致系统不稳定,甚至失败。 工程勘察应由具有勘察资质的专业队伍承担。工程勘 察完成后,应编写工程勘察报告,并对资源可利用情况提 出建议。 如果工程场地及其附近已有权威部门认可的岩土体 热物性参数和相关的水文地质资料,可根据实际情况,直 接引用现有资料进行系统设计。 对于水平地埋管系统,可采用槽探、坑探或钎探进行 地质勘测;对于垂直地埋管系统和地下水系统,采用钻探 进行地质勘测。如果还未决定采用何种系统形式,那么应 选择钻探,可以获取比较全面的地质信息。 不同系统类型决定了勘察内容的差别。如果掌握的场 地资料比较充分,可针对不同系统类型做专项勘察;如果 掌握的场地资料较少,可适当兼顾不同的勘察内容。 地埋管换热系统岩土体勘察应包括下列内容:① 岩 土层的结构;② 岩土体热物性;③ 岩土体温度;④ 地下水 的静水位、水温、水质及分布;⑤ 地下水径流方向、速度; ⑥冻土层厚度。 采用水平地埋管系统时,探槽应根据场地形状确定, 探槽的深度一般超过埋管深度1m。采用竖直地埋管系统 时,钻孔深度应至少比设计最深的热交换器深5m。 岩土体热导率、密度及比热容等热物性参数的测定, 可采用实验室法或现场测定法。 采用实验室法时,应对不同勘探孔深度或探槽长度的 岩土体样品进行测定,并以其深度或长度加权平均计算。 采用现场测定法时,应在埋管状况稳定后用专用测 量装置进行。首先做没有加热的测试,获取地层初始温 度。然后进行连续数天加热测量,根据已知数据推算出钻 孔周围岩土的平均热物性参数。测量的埋管可作为一个 实际支路使用。两个以上勘探孔(槽)的测量结果取算术 平均值。 地下水换热系统水文地质勘察应包括下列内容:① 地下水类型;②含水层岩性、分布、埋深及厚度;③ 含水层 的富水性和渗透性;④ 地下水的径流方向、速度和水力坡 度;⑤ 地下水温度及其分布;⑥ 地下水水质;⑦ 地下水水 位动态变化。 地下水换热系统勘察应进行水文地质试验。试验应包 括下列内容:① 抽水试验;② 回灌试验;③ 测量出水水 温;④ 取分层水样,并化验分析分层水质;⑤ 水流方向试 验;⑥渗透系数计算。 地表水换热系统水文状况勘察应包括下列内容:①地 表水水源性质、水面用途、深度、面积及其分布;②不同深 度的地表水水温、水位动态变化;③地表水流速和流量动 态变化;④地表水水质及其动态变化;⑤地表水利用现状; ⑥地表水取水和回水的适宜地点及路线。 3 地源热泵系统的容量与循环 (1)系统容量的确定 建筑物的空调负荷是确定室外地能换热系统负荷、选 择水源热泵机组和末端装置的基本依据。在方案设计和初 步设计阶段,由于资料数据不全,可采用负荷估算指标进 行负荷计算。在施工图设计阶段,根据 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 要求,应对各空 调分区(或房间)进行逐项逐时的负荷计算,可利用有关软 件或设计手册进行。 空调负荷包括冷负荷和热负荷。冷负荷计算方法与常 规空调系统相同。目前,我国常采用冷负荷系数法和谐波 胡连营 地源热泵系统的选择 ·124· 可再生能源 2008,26(3) 反应法的简化方法计算;热负荷一般按稳定传热理论来计 算,不考虑室外气温的波动。计算方法与采暖系统大致相 同,只是采用冬季空调室外计算温度来代替采暖室外计算 温度。冷风渗透引起的热负荷由新风加热重新考虑。 由于空调分区的峰值负荷并不同时发生,应将不同时 刻分区负荷之和的峰值作为整体负荷。分区峰值负荷用于 选择各区的水源热泵机组和末端装置,整体负荷用于选择 整个系统的水源热泵机组和确定室外地能换热系统负荷。 无论是地埋管换热系统、地下水换热系统,还是地表 水换热系统,都需要知道在一定阶段内室外地能换热系统 吸取的热量或释放的热量,即室外地能换热系统负荷。室 外地能换热系统负荷应满足地源热泵系统实际最大释热 量和最大吸热量的要求。 最大释热量和最大吸热量分别发生在与建筑物的最 大冷负荷和最大热负荷相对应的时刻。计算公式为: Q1=Qc(1+1/COPc) (1) Q2=Qh(1-1/COPh) (2) 式中:Q1为室外地能换热系统最大释热量,kW;Qc为建筑 物的最大冷负荷,kW;COPc为设计工况下水源热泵机组的 制冷性能系数;Q2为室外地能换热系统最大吸热量,kW; Qh为建筑物的最大热负荷,kW;COPh为设计工况下水源 热泵机组的制热性能系数。 (2)地源侧循环和空调侧循环 地源热泵的 3个子系统形成了 3个循环。其中水源 热泵机组内部的循环是工质循环,另2个循环由水源热泵 机组分别与室外地能换热系统和室内末端装置构成,分别 称为地源侧循环和空调侧循环。 采用不同类型的水源热泵机组必然导致系统循环介 质的差别。对于水-水型热泵机组,地源侧循环和空调侧循 环的介质都是水;对于水-空气型热泵机组,地源侧循环的 介质是水,而空调侧循环的介质是空气。 无论是采用水-水型热泵机组,还是采用水-空气型 热泵机组,地源热泵的地源侧循环的水系统是相同的,但 与传统空调系统的水系统区别较大。在传统空调系统的水 系统中,通常由集中设置的水泵输配循环水至各空调用 户。在地源热泵系统中,热泵机组有集中设置和分散设置 2种,形成了如图1所示的集中式系统和分散式系统。 集中式热泵水系统与传统集中空调的水系统基本相 同,前者用热泵取代了冷水机组,并且热泵与室外地能换 热系统相连;后者冷水机组与末端装置相连。 分散式热泵水系统中的水泵的设置有 3种方式:集中 设置、分散设置和集中/分散设置(图2)。 集中设置方式技术成熟、管理方便、运行可靠,但系统 能耗较大、运行费用较高;分散设置方式可根据用户的需 要启停,运行能耗较小,便于计量,但由于水泵数量较多, 初投资较高,维修量大;集中/分散设置方式的集中水泵主 要克服室外地能换热系统的阻力,分散水泵主要克服热泵 机组的阻力,在一定程度上兼顾了集中和分散2种系统的 优势,但同时也增加了系统的复杂性和初投资。 公用建筑应优先采用集中式地源热泵系统。分散式系 统的集中设置水泵方式也比较适合。中、小型住宅及别墅 建筑适合采用分散式系统的水泵分散设置方式。中、大型 建筑空调系统,特别是各个空调用户的空调负荷及其环路 流动阻力相差较大时,采用分散式系统的集中/分散水泵 设置方式更适合一些。 空调侧循环由于采用水-水型热泵机组或水-空气型 热泵机组而形成了水系统或空气系统,但与传统空调系统 区别不大。 采用水-水型热泵机组的系统,与目前应用广泛的以 水冷式冷水机组为主机的中央空调系统类似,其优点是主 机安装位置灵活,输送冷热水的管道尺寸小,节省建筑的 使用空间。系统的末端装置可采用多种形式的风机盘管, 也可采用集中式空调机组,但空调机组的加热器面积会因 水源热泵机组提供的循环水温较低而有所增加。 采用水-空气型热泵机组的系统,有集中处理空气和 分散处理空气 2种形式。集中处理空气形式是利用热泵 机组集中加热或冷却空气,再利用风道送入各房间,从而 构成全空气系统。集中处理空气形式可以充分考虑对新 风的处理,但风道占用的建筑空间大。分散处理空气形式 采用热泵机组与各房间的空气直接换热,热泵机组可较 为分散地安装在各个房间内。该形式省去了一个换热环 节,其性能将有所提高。 (连载待续) 图1 集中式地源热泵系统和分散式地源热泵系统 图2 分散式系统的水泵设置方式 集中式系统 分散式系统 热 泵 集中设置 分散设置 集中/分散设置 热 泵 热 泵 热 泵 热 泵 热 泵 热 泵 热 泵 热 泵 热 泵 热 泵 热 泵 地能换热 系 统 地能换热 系 统 地能换热 系 统 地能换热 系 统 热 泵 热 泵 热 泵 热 泵 末端装置 热泵机组 末端装置 末端装置 地能换热 系 统