土壤源热泵（共8篇）
土壤源热泵 篇1
0 引言
能源是我们人类社会生存发展的物质基础, 而能源危机使我们对能源利用有了新的认识, 为了国家经济能够持续快速的发展, 因此加强节能、提高能源利用率和改善能量利用中的环境保护成为了一个很重要的课题。
随着空调产业的快速发展, 空调制冷制热的方式开始多元化。由于地表浅层是一个巨大的太阳能集热器, 收集了47%的太阳能, 相当于人类每年利用能量的500倍, 而且不受地域、资源等的限制, 为一种可再生、清洁能源[1]。因此, 近年来地下土壤作为一种空调系统理想的冷热源, 受到国内外学者的重视, 进而促进了土壤源热泵技术的发展。
1 土壤源热泵系统的构成
土壤源热泵系统按照构成可以分为四个部分:地下耦合换热循环、制冷剂循环、末端装置以及生活热水环路。地下耦合换热部分是由高密度塑料管 (一般常用高密度聚乙烯HDPE管) 组成的地下循环封闭环路, 环路的介质通常为水或者是防冻液[2]。冬季从地下吸取热量对建筑供暖, 同时储存冷量, 以备夏季使用;夏季向土壤中释放热量, 对建筑进行降温, 同时储存热量, 以备冬季使用, 其地下换热部分可以按照地埋管的形式的不同分为水平埋管和垂直埋管。
2 水平埋管的形式以及对其应用的研究
目前水平埋管主要的应用形式有以下几种, 单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形式 (如图1) , 由于水平埋管占地面积较大, 除了在单元住宅等建筑中能一定的应用外, 其他中大型建筑形式中的应用较为有限, 为了提高单位占地面积的换热量, 因此考虑利用沿垂直方向的岩土层的蓄热作用, 设置多层埋管, 多层埋管的下层管路处于一个较稳定的温度场, 换热效果好于单层, 且占地面积较小, 因此在工程中常采用多层。
水平埋管在国外有比较多的应用, 但是由于地理条件的差异以及经济发展水平的不同, 因此水平埋管式的土壤源热泵在工程中并没有广泛的应用, 为了提高水平埋管的换热性能, 有人提出将热管技术应用在水平埋管式的土壤源热泵系统中, 提出了一种新型的地下埋管形式, 热管是依靠自身内部工作液体的相变来实现传热的传热元件, 液态的工作介质在热端蒸发吸热, 变成气态, 气态通过运动到冷端放出热量, 变成液态并依靠重力作用重新回到蒸发端, 如此循环进行, 传递热量。由于热管内部主要靠工作液体的气、液相变传热, 热阻很小, 因此具有很高的导热能力, 利用热管的这种特殊的传热方式, 来提高地下埋管的换热性能, 利用更深层的土壤蕴含的热量, 从而达到减少占地面积的目的。根据热管的工作温度范围, 设定土壤源热泵运行的工况, 然后进行计算、选择设备并搭建系统。天津大学郑宗和等人的努力, 设计并完成了试验台的搭建, 通过试验最终证实了在水平埋管系统中加入热管对提高水平埋管换热效能是有帮助的, 虽然成本有所增加, 但是增加的成本不大, 且节约土地面积的效果明显, 因此有很好的应用前景[4]。其应用的系统如图2所示:
天津大学的李新国等人对垂直螺旋盘管地源热泵供暖制冷进行了实验研究, 他们结合一个实际用户建立了垂直螺旋盘管地源热泵试验系统, 通过测量地下盘管的进出水温度, 盘管从地下的取热、排热量, 分析系统的性能。
经过运行一段时间后得出的数据分析结果表明, 与其他土壤埋管的取热性能相比较, 垂直螺旋盘管的换热效果要优于水平盘管[5]。垂直螺旋盘管的应用, 使盘管表面积增大, 换热面积也相应的增大, 进而提高了换热效率, 同时也节约了占地面积, 减少工程的造价, 因此, 对于现阶段土壤源热泵技术来说, 具有很大的发展空间。
3 垂直埋管的形式
与水平埋管相比, 垂直地埋管具有在较小的占地面积下获得较大的换热能力的特点, 因此在工程中的应用更为广泛。垂直埋管根据埋管形式的不同, 一般有单U型管, 双U型管, 小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管, 套管等形式。目前使用最多的是U型管、套管和单管式。
对于U型管来说, 一般管井直径为100~159mm, 井深10~200m, 管径一般在Φ50mm以下, 由于施工简单, 安装方便, 换热性能好, 承压高, 管路接头少, 不易泄漏等优点, 目前在工程中应用很广泛。
套管式埋管的外管直径一般为100~200mm, 内管为Φ15~Φ25mm。由于其与外管壁和岩土的换热面积增大, 因此单位井深的换热量较高。但套管端部与内管进、出水连接处不好处理, 易泄露, 需要由工厂加工制作, 现场安装, 保证其密封性。
单管式埋管在国外通常称为热井, 主要用于地下水做热源的热泵系统, 一般来说投资较少典型的孔径为150mm, 由于其受到国家相关政策及法规的限制, 因此在工程中应用有限。
U型管和套管是地源热泵地下垂直埋管的主要形式。由于安装方便, 不易泄漏, 因此U型管一般可以用于埋地比较深的工程中, 这是U型管的优点, 但是其钻孔费用高, 且不能充分利用钻孔所提供的换热条件, 造成了资源的浪费;相比较来说, 套管式换热器可以充分的利用钻孔资源, 换热效率也高于U型管, 但是其结构复杂, 容易泄露。无论是U型管还是套管都存在热短路现象, U型管进水端和出水端存在4~6℃的温度差, 但是两管中间有一段距离, 可以回填保温材料, 减少热短路产生的影响, 而套管不存在中间的保温材料, 因此存在的短路现象则比U型管埋管换热器的热短路严重[6]。目前套管的内外管大多采用PVC光滑管, 换热介质的流向有两种, 一种是介质在内管从上而下, 完成热交换, 另外一种是介质在内管与外管的夹套中由上而下完成热交换, 到管底后在内管中由下而上。沈学明采用波纹内套管实现了套管换热性能的提升。
其中1指的是外管, 2是内管, 3是底封, 4是进水管接口, 5是指出水管接口, 6是波纹管, 7是安装导正环, 其结构图中波纹管布置在内管的外壁, 波纹管与外管之间固定安装导正环, 在普通套管的内管外边加套一个波纹管, 波纹管与内管之间充填珍珠岩层以绝热, 减少介质在内管与外管夹套中存在的热短路现象, 提高了套管的换热能力, 另外, 介质在流经波纹管表面时产生紊流现象, 传热系数增加, 提高了套管的换热能力[7]。
对于U型式和套管式埋管, 在工程应用中都存在一些问题, 制约着其发展。因此我们要对新的垂直埋管形式进行探索和研究, 进而使地埋管换热效率得到最大限度的提高, 满足工程中的需求。
4 结论
土壤源热泵最主要的部分是地埋管换热的部分, 因此提高地埋管的换热效率称为研究的重点, 目前我国对于垂直埋管的研究主要集中在地下换热器模型的建立、埋管换热对周围土壤温度的影响以及埋管对周围管群的换热性能的影响。而对于不同埋管形式与土壤之间的换热研究很少, 因此加强对这方面的研究对土壤源热泵的发展会产生一定的帮助。
对于水平埋管来说, 尝试采用不同的埋管方式相结合以及加入一些新的能增强地埋管换热的技术 (例如热管) , 对其换热进行研究, 看能否能满足工程中的应用。
垂直埋管在我国土壤源热泵工程中应用非常广泛, 因此对新埋管方式的换热性能的研究有非常重要的意义。比如采用套管和单、双U型管结合埋设地埋管, 既可以节约成本, 又可以充分的利用资源;也可以尝试用螺纹管代替单、双U型埋管, 看换热效率是否得到提升;或者也可以采用一些能提高换热效率的方法对地埋管进行改进, 满足实际中的需求。
摘要：依据土壤源热泵系统中地下耦合方式对地埋管的形式进行分类, 列举了一些新的地埋管的埋管方式, 并对其换热进行分析;通过对U型管和套管的特点进行对比, 为土壤源热泵地埋管换热的进一步研究提供参考。
关键词：土壤源热泵,U型管,套管
参考文献
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[5]李新国, 赵军, 朱强, 安申法, 张毅.垂直螺旋盘管地源热泵供暖制冷试验研究[J].太阳能学报, 2002, 12, 23 (6) :684-686.
[6]史新慧, 李素芬, 卢立宁.套管式地下换热器研究[J].节能, 2004 (, 7) :22-24.
[7]沈学明.高效热交换波纹内套管式地埋管[P]:CN201653224.2010.
空气源热泵热水器综合性能研究 篇2
【摘 要】空气源热泵热水器是一种新型的热水器，具有节能、环保的特点，但它也存在着受环境温度影响较大和系统效率不高、运行不稳定等问题。为了更好的检验空气源热泵热水器综合性能和优化系统，本文结合具体实验，就空气源热泵热水器综合性能进行了研究，找到了影响空气源热泵热水器运行性能的因素，为空气源热泵热水器的优化提供了依据。
【关键词】空气源热泵热水器；不同环境温度；性能；影响因素
【中图分类号】TM925.32【文献标识码】 A【文章编号】1672-5158（2013）07-0026-02
随着全球能量消耗的不断增加，节能已成为全球面临的问题，在这种环境下，空气源热泵热水器作为一种节能设备得到了广泛应用。空气源热泵热水器也称 “热泵热水器”“空气能热水器”等。空气源热泵热水器中的热泵能把空气中的低温热能吸收进来，经过压缩机压缩后转化为高温热能，加热水温。这种空气源热泵热水器具有高效节能的特点，其耗电量是同等容量电热水器的1/4，是燃气热水器的1/3。空气源热泵热水器的初期投资是煤气、天然气、电热水器的三至五倍，但其日常运行成本较低。
空气源热泵热水器由压缩机、蒸发器、热力膨胀阀（或其他节流机构）、冷凝器、水箱以及控制器等部件组成，如图1所示。
基于空气源热泵热水器性能优化，系统研究了制冷剂充注量、冷凝盘管长度、水箱容积、膨胀阀开度和水箱设定温度等对热泵热水器性能的影响。分析了电子膨胀阀开度对热泵热水器性能的影响，建立了热泵热水器的动态性能数值模型，指出在不同加热时段切换膨胀阀开度可以实现系统性能的提高。Farouk Fardoun等建立了空气源热泵热水器系统的准动态模型用以预测系统动态运行特性。
目前热泵热水器多采用制冷工质R22，但随着环保要求的不断提高，热泵热水器面临着制冷剂的替代问题。当环境温度比较适度并且冷凝温度不是很高时，R22制冷剂有很好的热力性能。但是当热泵系统在高温环境中运行时，压缩机排气温度和排气压力都将被很大程度提高，严重影响了热泵系统的安全性；VinceC.Mei等研究了用R407C替代R22在热泵热水器中的应用，结果表明采用R407C的热泵热水器热水加热功率明显高于R22系统，但R407C系统的耗能也有所增加，使得输出高水温时系统COP低于R22系统的。而工质R134a的特性使得其更有利于热泵热水器的安全可靠运行。因此笔者选用R134a作为热泵工质，对热泵热水器的系统性能进行实验和仿真研究，以期对其今后的发展提供可行的优化措施。
1 热泵热水器实验装置
空气源热泵热水器的运行性能实验在焓差试验室内进行的。本实验样机采用NPS—KD50/150型一体式静态加热式空气源热泵热水器，制冷剂采用R134a，水箱标定容量为150L。压缩机采用三菱电机（广州）滚动转子式压缩机，型号为RB174GHAC，额定转速是2860/3400r/min（50/60Hz），理论排气量为17.4cm，单汽缸，输入功率850W；蒸发器采用风冷式平直翅片管换热器，4个支路，3排管布置，冷凝器的冷凝盘管环绕布置在水箱内胆外壁上，管长为4.6×104mm，节流机构选择热力膨胀阀。
2 实验结果分析
3种工况下均将水箱中的水从15℃加热到55℃时停止测试。从图2可以看出，环境温度一定时，压缩机的吸气压力和排气压力均随时间的增加而不断增大，但排气压力增大的速度要比吸气压力快得多，导致压缩机的压比不断增加，压缩机消耗功率不断增大。
图3所示分别为不同环境温度下系统制热量和COP的变化情况，系统的制热量和COP变化呈现相似的趋势。从图3可以看出，系统平均C0P随着环境温度的升高不断增加，主要原因在于随着环境温度的升高，系统蒸发温度会不断提高，制冷剂从空气中吸入的热量迅速增加，而压缩机的平均消耗功率变化不大，从而使得系统C0P得到提高。
通过以上分析可以发现，环境温度对空气源热泵热水器的性能有很大的影响，热泵热水器在高中温工况可以较高效率运行，但存在压缩机过载的可能；而在低温下运行时其工作性能降低且不稳定。空气源热泵热水器在严寒或寒冷地区的节能效果不明显。
3 热泵热水器仿真与影响因素分析
为了分析R134a空气源热泵热水器的特性，分别对热泵系统各个部件建立数学模型，其中压缩机和膨胀阀采用集总参数模型，蒸发器采用分布参数模型，冷凝盘管和水箱被看作螺旋套管换热器，建立集总参数模型，制冷剂分为单相区和两相区，分别选用不同的经验关联式计算换热系数，管内蒸发换热系数采用RinYun准则关联式计算，管内冷凝换热系数采用YuandKoymaa准则关联式计算，蒸发换热过程两相流压降采用Hara—guchi准则关联式计算，空气侧换热系数采用WangC.C.准则关联式计算。将压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀数学模型通过质量、能量和动量的耦合关系联立起来求解。具体流程可参考董玉军对空气源热泵冷热水机组性能的仿真过程。
以名义工况为例，用仿真模型结果与实验数据结果进行比较。从中可以看出大部分仿真值与实验值接近，误差都在10以内，这表明所建立的空气源热泵热水器的仿真程序中所选用的换热关联式比较合理，程序的精度可以满足设计要求。在系统仿真研究系统性能的影响因素时，需要选取一个基准条件。笔者所选取的具体参数是：制冷剂R134a，室外干球温度20℃，室外湿球温度15℃，蒸发器风机风速2.3m/s，水箱进水温度15℃，冷凝器换热面积0.2m。，蒸发器过热度5℃，冷凝器过冷度10℃。仿真主要研究不同参数对系统性能的影响。
3.1蒸发器入口空气流速对系统性能的影响
在研究空气流速对系统性能的影响时，选取了7个不同的空气流速，分别是：1.5m/s，2.0m/S，3.0m/s，4.0m/s，5.0m/s，6.0m/s，7.0m/s。
从中可以看出，水箱吸热量和压缩机输入功率都随着空气流速的增加而呈增大的趋势，当空气流速大于3m/s后，功率和吸热量的变化趋于平稳。这是因为开始随着蒸发器入口空气流速的增加，蒸发器的进空气量增大，蒸发器的换热效果得到提高，系统的制热量增大；但随着空气流速继续增加，过热度过大减少了蒸发器的有效换热面积，且无效过热增大压缩机吸气比容，减小压缩机制冷剂流量，系统性能逐渐趋于稳定。同时，过高的吸气温度影响压缩机的使用寿命。综合考虑，系统存在一个最佳空气流量。空气流量的增加必定会提高系统开发和运行的成本，因此在选择风机时需要特别注意风机的空气流速和空气流量的选取。
3.2 制冷剂流量对系统性能的影响
在研究制冷剂流量对系统性能的影响时，选取了8种不同的流量，分别是：10g/s，11g/s，12g/s，13g/s，14g/s，15g/s，16g/s和17g/s，。
从中可以看出，压缩机输入功率随制冷剂流量的增加不断增大，而水箱吸热量在质量流量较小时，随着制冷剂流量的增加不断增大，但随着制冷剂流量的继续增加，水箱吸热量的变化趋于稳定。这是因为，小流量时，随着制冷剂流量的增加，换热管内换热系数增大，蒸发器和冷凝盘管的换热量增大，但随着制冷剂流量的继续增大，过大的制冷剂流量不能保证合适的过热度和制冷剂压降，系统性能逐渐趋于稳定，从而使得系统的COP呈现先升高后降低的趋势，即制冷剂流量存在最佳值，使热泵热水器的性能系数达到最高，在本模拟中使COP达到最大的制冷剂质量流量在14～15g/s范围内。
4 结束语
总之，随着我国对节能政策的进一步落实，空气源热泵热水器必将得到快速的发展。通过优化系统提高运行性能，进一步完善空气源热泵热水器性能，不断降低成本，将有效促进空气源热泵热水器市场占有率的提高，达到节能环保、提高人们生活水平的目的。因此，本文对空气源热泵热水器综合性能的研究具有一定的现实意义。
参考文献
[1] 周建勋.基于空气源热泵的热水器性能提高对策研究[J].科技风， 2011年 第7期
土壤源热泵间歇运行经济性分析 篇3
1 工程介绍
内蒙古自治区发改委综合性办公楼, 采用了土壤源热泵系统进行供热与制冷, 为北方地区在土壤源热泵的设计及施工方面积累了宝贵经验。
该项目总建筑面积为50000 m2, 采用了双U型地埋管的土壤源热泵技术。该项目的土壤源热泵机组参数如表1所示。
2 工程经济性分析
2.1 系统初投资费用
施工地区的岩土构成如表2所示。
根据当地当时的设备价格进行计算, 得到土壤源热泵空调系统主要设备购置与埋管换热器安装的总价为1822.5万元。若选用锅炉+冷水机组系统, 得到锅炉+冷水机组系统主要设备购置的总价为463万元。
2.2 系统运行费用比对
根据当地电价与油价进行预算, 电费为0.7元每千瓦时, 油价每吨为6000元。在夏季空调运行周期为90 d, 系统负荷系数为70%;冬季空调运行周期为150 d, 系统符合系数同样为70%, 得出夏季工况下, 冷水机组+锅炉系统每日的设备耗电量为20880 k Wh, 按夏季需要制冷时间为90 d, 在夏季, 系统的运行费用为131.5万元。对冬季供暖系统运行费用进行预算, 每日耗油总量为9360 kg, 耗电总量为3120 k Wh, 北方冬天按150 d换算成总的运行费用为875.2万元。
若使用土壤源热泵系统, 夏季工况的土壤源热泵系统运行时主要设备每日耗电为18000 k Wh, 夏季制冷以90 d计算, 则整个制冷季运行费用为113.4万元, 冬天每日耗电总量为22560 k Wh, 供暖季以150 d计算得, 整个冬天该系统的运行费用为236.9万元。
考虑到该建筑为发改委办公综合楼, 若在非工作期间停止使用, 谨保证对收发室等小范围区域进行特殊供暖制冷, 则可以在经济上节约大笔资金, 假设工作日按照早7.00-晚6.00进行正常供热制冷, 下班后及双休日全天系统停止运行。则采用间歇运行方式夏季间歇运行土壤源热泵系统运行费用为52.0万元, 冬季间歇运行土壤源热泵系统运行费用为65.1万元, 运行费用较连续运行仅有50%左右, 既响应了国家绿色节能的号召, 也节省大笔的经济开支, 在系统停止运行期间, 土壤温度逐渐恢复, 提高了热泵系统总体的换热效果, 延长了系统的使用寿命。
3 不同运行方案比对
由图1可知, 在初投资上, 土壤源热泵并不具有优势, 传统的燃油锅炉与冷水机组相结合的系统在设备购置的费用为463万元, 而土壤源热泵系统在初期投资时的费用为1822.5万元, 比燃油锅炉与冷水机组系统高出1359.5万元。
但在运行时能源消耗的费用上, 土壤源热泵占有绝对优势, 由于土壤源热泵通过对少量高品位能源 (电能) 的消费, 从而实现将大量低位土壤热能向高位能量的转化, 以满足用户供暖制冷的需求。从图1中可以看出, 采用燃油锅炉+冷水机组系统每年的运行费用为1006.7万元, 而利用土壤源热泵进行采暖制冷的运行费用则为350.3万元, 比燃油锅炉+冷水机组系统要少656.4万元。如此, 计算在不到三年时间内, 初投资的差价就会收回。由于土壤源热泵结构简单, 运行稳定, 所以使用寿命较长, 一般在20年左右, 所以保持继续运行土壤源热泵的经济性优势体现越明显。
4 结语
土壤源热泵在初期费用的投入上要比传统的空调系统高, 在运行3年左右即可将初投资差价收回, 由于燃煤和燃油不仅费用高昂且对环境污染较大, 所以我国北部寒冷地区, 土壤源热泵的运行费用优势更加明显, 对环境无任何污染, 对供暖城市解决雾霾和缓解能源危机起到了良好的推动作用, 是一项应该广泛投入实际工程的供暖技术;若土壤源热泵采用间歇运行则将会进一步提高土壤源热泵的经济性。上文的内蒙古工程是一座综合性办公楼, 属于办公时间明确的机关单位, 所以土壤源热泵系统采用间歇运行不但不影响供暖制冷的需求, 而且系统停止运行时, 土壤温度回复, 对地埋管换热器与土壤的换热效率得到提高, 一举两得;该工程属于我国典型寒冷地区, 供暖季要比制冷季长得多, 从土壤中提取的热量要大于向土壤输送的热量, 长期如此运行会导致土壤热量的不平衡。现今通常使用辅助热源与土壤源热泵系统联合解决这一问题。
摘要：通过实际工程进行土壤源热泵间歇运行与传统锅炉与冷水机组配合运行进行经济性对比。
关键词：土壤源热泵,间歇运行,经济性分析
参考文献
[1]胡金强.地源热泵系统热平衡分析及其在大型公共建筑中的应用[J].制冷技术, 2015, (2) .
土壤源热泵 篇4
1 工程概况
武汉北编组站位于武汉市东北郊黄陂区的横店镇与滠口镇之间,京广铁路、沪汉蓉铁路的交会处,主要担当京广线、合武线及麻武线车流和汉丹、武九线至江北地区车流的解编任务。武汉北编组站调度综合楼为3层办公楼,其总建筑面积3 230 m2,总空调面积2 920 m2。夏季空调房间室内计算温度为26 ℃,冬季空调房间室内计算温度15 ℃。经计算得夏季设计冷负荷为288.16 kW,冬季设计热负荷为240.33 kW(不含新风)。
本工程所采用地埋管换热系统实现了热泵机组夏季冷冻水供回水温度各为7/12 ℃,冬季提供空调水供回水温度各为45/50 ℃。垂直埋管出水温度夏季为25～30 ℃;冬季为10～15 ℃,设计生活热水出水温度为50 ℃。
根据工程勘察结果,权衡地埋管热系统实施的可行性和经济性,确定施工方案如下:采用室外地源换热器共为114孔;每个孔井深80 m,井位呈矩形排列,总钻井深度约为114孔×80 m/孔=9 120 m[3]。
2 地埋管施工
2.1 施工流程
施工流程见图1。
2.2 钻孔施工技术
1)钻孔前应勘测现场,做好和其他专业如土建(给排水、消防、电缆等)的交叉与衔接、根据施工钻孔平面图的孔数、行距和面积,进一步核实现场的施工面积以满足打孔要求。
2)核实无误后,按施工平面图检查定位放线,排水、泥浆倒运工序,合理安排土方、泥浆池、安全通道及堆土场的位置,保持通道畅通无阻。
3)钻孔就位,要保证钻机钻杆垂直度,防止垂直偏差将已埋管道损坏。钻井机械定位保证水平度偏差<1 %;保证垂直偏差<0.5%。
4)在钻孔的两孔之间挖1 500 mm×800 mm×500 mm泥浆池,位置在地埋管挖沟方向两孔之间,用作钻井机在施工中水循环载体,贮存回填泥浆使之不至于流到其他地方,保证施工现场的整洁。
5)根据在其他工程的施工经验,本工程采用正循环回转钻井;正循环回转钻井的优点:
(1)在地层漏失或对漏失处理无效之后,正循环冲洗液充满钻杆与孔壁之间的外环状空间,液柱本身重量对孔壁产生较高的侧压力,在液柱与地层之间的压力差作用下,泥浆向地层渗透,其黏土颗粒将在孔壁形成一层泥皮,液柱侧压力和泥皮都能有效地加固孔壁,防止孔壁坍塌。
(2)冲洗液在较高压力作用下,以较高的速度从钻头中呈射流状态喷射孔底,能有效地冲起孔底岩屑。
(3)依靠排水压力,通过管线向孔洞输送冲洗液,管线及其接头部位即使有少量泄漏(这在实际工作难以完全避免),也不会导致冲洗液循环和钻井过程中断。在地层漏失情况下,冲洗液连续补给,仍可继续钻井。
6)钻孔过程中安排质量检查员随时检查钻孔的位置,确保钻孔位置的正确性,并做好检查记录工作,如发现偏差超过标准要求,应及时纠正重新进行定位。
7)钻孔过程中产生的土方和土方开挖的土壤应集中堆放,并用彩条布覆盖。
8)在钻孔过程中为避免钻孔塌方,在钻孔过程中灌入泥浆对钻孔的井壁进行泥浆凝固护壁,防止塌孔。
2.3 下管施工技术
钻孔完成后应立即下管,下管前应对U型管进行试压、冲洗。停留时间越长,孔内的积压现象越严重,管子也就越难放。在本工程施工中,我们采用预制砼导头下井施工法。预制导头直径略小于钻孔直径,大于4根HDPE循环管所占位置的直径(预制导头制作后应进行试压试验)。依靠导头的重量和HDPE管内水的重量下井,这样既保证下管的速度又可保证HDPE管能有效地到达地源井底,同时,还能保护HDPE管材在下井过程中免受井壁尖石的刮伤、损坏。一般采用人工下管,下管时必须多人合作,提起管子时不得在地上拖拉,不应形成不自然的弯曲,更不允许产生角度。
为避免热桥损失,U型管管间距应严格按设计要求,下管时尽量保持同心度并且管与管不要接触太紧,施工时每隔2～4 m设置固定支卡将U型管分开,以确保垂直地源换热管的相对位置不变,垂直换热管不会贴在一起。HDPE管下井完成后,须将U型管两个端口密封。
2.4 回填施工技术
2.4.1 回填材料选择
灌浆回填材料一般为膨润土和细砂(或水泥)的混合浆或其他专用灌浆材料。膨润土的比例宜占4%～6%。钻孔时取出的泥沙浆凝固后如收缩很小时,也可用作灌浆材料。如果地埋管换热器设在非常密实或坚硬的岩土体或岩石情况下,宜采用水泥基料灌浆,以防止孔隙水因冻结膨胀损坏膨润土灌浆材料而导致管道被挤压截流。
2.4.2 洗井技术
钻井完成后下U形管之前必要时应首先进行洗井作业,并且洗井应在钻井完成后立刻进行,目的是清洗井内黏度较大的泥浆,以便下管,但应控制好清洗的强度。
2.4.3 回填工艺关键技术
回填材料应采用网孔不大于15 mm×15 mm的筛进行过筛,保证回填料不含有尖利的岩石块和其他碎石。为保证回填均匀且回填料与管道紧密接触,回填应在管道两侧同步进行。
U形管安装完毕后,应立即灌浆回填封孔,隔离含水层。灌浆即是使用泥浆泵通过灌浆管将混合浆灌入钻孔中的过程。泥浆泵的泵压足以使孔底的泥浆返至地表,当上返泥浆密度与灌注材料的密度相等时,认为灌浆结束。灌浆时,应保证灌浆的连续性,应根据机械灌浆的速度将灌浆管逐渐抽出,使灌浆液自下而上灌注封孔,确保钻孔灌浆密实,无空腔,否则会降低传热效果,影响施工质量。
回填过程应严格保证回填质量,为确保回填密实应杜绝采用人工手动回填的方式,而应采用泥浆泵机械回填。
为确保灌浆回填的质量,本工程在预制混凝土导头下井的同时,灌浆管同时随导头下井,如图2所示。
在下井工程中,必须有专人分别拉住灌浆管和2根HDPE管,当PE管下到井底时,将灌浆管松开,并人为地将灌浆管往下捅,让连接分管的托盘与导头上的拉钩脱离开来,然后应立即采用灌浆管将混合浆灌入钻孔内进行回填封孔,隔离含水层。灌注施工中应保证灌浆的连续性,根据机械灌浆的速度确定灌浆管的提升速度,确保浆体由底部涌上而充满腔内。当上返泥浆与灌注材料的密度相等时表明灌浆工作已经完成。
3 结 语
地埋管换热系统最关键的是换热效率,效率又受多种因素的影响,涉及到的主要因素有:地质结构、土壤成分、地区(地域)自然环境、管材的选用,施工场地等4]。地耦系统的换热效率直接影响热泵的工况,而热泵的效率直接影响运行成本,当然也直接影响初投资,因此相当重要。结合实际工程,本文重点总结了地埋管施工中几个可能影响系统工作效率的关键工序,对地埋管在钻井、下管、回填、试压等工序施工提出了一定的要求。
参考文献
[1]高祖锟.用于供暖的土壤-水热泵系统[J].暖通空调,1995(4):9-12.
[2]李元旦,张旭.土壤源热泵的国内外研究和应用现状及展望[J].制冷空调与电力机械,2002,(l):4-7.
[3]吴国忠,张九龙,王英杰.埋地管道传热计算[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2003.
土壤源热泵换热器施工工艺分析 篇5
1工程概况
晋瑞苑小区建筑面积21.2万m2,除住宅地下室外,所有地下车库下面共布置土壤源换热器1 125口井,每口井的深度是110 m～130 m。所有土壤源换热器通过水平埋管通向位于物业楼地下室的地源热泵机房,机房内地源热泵机组取(放)热后,通过小区外网向全小区供热(冷)。
2工艺原理
热泵是一种利用高位能使热量从低位能源转移到高位能源的机械装置。土壤源热泵是利用大地作为热源进行热交换的新型中央空调技术。
土壤源热泵利用土壤一年四季温度稳定的特点,冬季把浅层土壤能作为热泵供暖的热源,即把高于室外环境温度的土壤能中的热能取出来供给室内采暖,夏季把土壤能作为空调的冷源,即把室内的热能取出来释放到低于室外环境温度的土壤中。
通常土壤源热泵消耗1 kW的电能,用户可以得到4 kW左右的热量或冷量,从而达到节能的目的,而且在系统运行过程中,不产生任何有害物质,实现了环保的功效。
3施工工艺流程及操作要点
3.1 工艺流程
工艺流程为:钻孔→下竖向管→井管试压→回填料→挖管沟→水平管施工→干管敷设→支干管连接阀部件安装→管道试压→管道回填→底板上主管道安装。
地源热泵技术地埋管示意图和单组地埋管连接示意图见图1,图2。
3.2 操作要点
3.2.1 钻孔施工
1)按照施工图,结合甲方给定的定位坐标点,对钻孔位置进行放线定位,每个井位点撒白灰并结合木桩做标识,合理排定施工顺序。
2)钻进达到要求深度后,报质检员查验钻孔深度和孔径,在下管程序没有准备好以前不能过早提起钻具,并且必须保证泥浆循环。
3.2.2 竖向管施工
1)下管准备。a.PE管运到现场下管前,首先由质检员检验管材合格证、规格型号,并抽检管径大小、壁厚及外观检查后再进行下一步工作。b.双U形的接头采用电熔连接方法在工厂进行,熔接由管材厂家的专业人员用专业设备按操作规范连接。每个U形接头熔接成功后,进行清洗再进行打压试验,打压1.6 MPa并观测1 h以上,不泄漏为合格;出具合格证后方可出厂。c.现场清洗试压:下管前先用干净的自来水冲洗,然后试压。试压采用手动试压泵,试验压力为1.6 MPa,带压观测15 min以上,不渗不漏无破裂,压力下降不超过3%即为合格。试压完毕,每组双U形换热管管头必须立即密封。 d.安装管卡:为保证换热管尽可能贴近孔壁,避免换热管之间的短路传热,需在3 m～4 m的间隔安装管卡。管卡现场组装,安装一定要牢固,经现场质检员检查无误后开始下管。
2)下管。a.将试压合格后的管道卸掉压力表,将管口密封后,在满水状态下插入钻孔,通过下管器匀速下入,下管后为防止上浮,可先回填一部分回填料。b.下入换热管后,为检验在下管过程中是否有管壁划伤破损,进行二次试压,试验压力为0.6 MPa,带压观察30 min以上,不渗不漏无破裂,压力下降不超过3%即为合格,可以进行下一道工序;如压力下降,则将换热管拖出后换新管重新埋入。c.打压合格后,把所有管头再次密封保压进行填砂。换热管与钻孔之间回填砂直至地面,填料时要求由四周缓慢填入,填砂的同时间断性地向孔内注水,确保孔内砂料尽可能的密实。
3)填料。由于本项目地层为粘土和细砂层,结合测试报告中各种回填料的换热量情况,工程中采用原浆回填,在完成1个孔后,进行下一个孔钻孔时,让循环泥浆经过上一个已下管的成孔内,泥浆循环中的沉淀物会汇集在上一个孔内,表层不能填满部分采用细砂填密实。细砂回填时结合灌水作业,分多次回填密实。
4)区域全部钻孔完成,连接联络管前,进行第三次试压,试压标准同第二次,目的是防止有孔打穿渗漏现象发生,全部合格后可接入水平管系统。
3.2.3 水平管施工工艺
1)土方开挖与运输。
由于本工程土方量较大,采用机械挖土配合人工清理,基底清运覆土时同时开挖管沟,地埋管施工人员密切配合,防止超挖。
2)基地清理。
a.机械开挖时留10 cm土层采用人工清理,保证底部平整并不得扰动天然地基。b.基地清理的土方随覆土一同清运走。
3)水平管安装。
a.管道预制:联络管采用PE管材,根据图纸尺寸,进行管道放样预制。断管采用专用工具,防止出现管头不齐、有飞刺等现象。b.支管连接:管沟开挖后,开始连接支管。支管为D32全部电熔连接,管道和九通之间尽量保证直接相接,不采用弯头,减少阻力和漏点。c.支管安装:将预制好的管道放入管沟,按事先编码顺序排放。管道连接方式电熔连接,水平管一端甩至二级集分水器。d.在管道运输过程中注意端口的保护,防止砂土进入管内。连接时注意供、回水管分开施工,防止混接;在管道连接时,首先用干净的毛巾将管头内外擦拭干净,确保管道连接的严密性,防止杂物进入管内。e.每个环路连接完成后,将直管段部分用回填土覆盖压住,接头处明露以便检查渗漏,在管口进行环路第4次打压,在0.6 MPa试验压力下,稳压30 min,压力降不大于3%,且无泄漏现象为合格。
4)压力试验。
a.在水平埋管和二级集分水器连接完毕后,做第5次打压准备。进行水压试验时试验压力0.6 MPa,30 min内降压不超过3%为合格。b.机房一级集分水器和10个区域主干管全部连接完毕后进行第6次试压,试验压力0.6 MPa稳压12 h,稳压后压力降不大于3%为合格。c.试验合格后进行管道冲洗,从供水管接入干净自来水,回水管排出,连续冲洗,直到出水口水色和进水口一致为合格。
5)管沟回填。
a.回填时管底15 cm至管顶30 cm用细砂回填,先回填管道两侧,采用人工夯填,逐层夯实密实。管顶部30 cm内不能直接打夯,回填第二步时采用平板振捣器夯实。b.每步回填土不超过30 cm厚,分层振捣密实后再填下一层。c.回填至基础褥垫层底平面。
6)底板上主管道安装。
待底板完成,具备施工条件后,二级集分水器安装,待顶板完成,室外管网区具备施工条件后,进行主管道施工。
4注意事项
1)地源热泵系统方案设计前,应进行工程场地状况调查,并对浅层地热能资源进行勘察。
2)为解决泥浆坑渗漏问题,首先预留1 m覆土,同时泥浆坑内铺设塑料布和彩条布两道措施进一步防止渗漏。
3)基础下的管沟开挖后造成对基地原状土的破坏,施工中采取管沟回填细砂工艺,细砂和原状土面齐平,回填密实。
4)由于地埋管位于基础下,管道穿越底板时采用柔性防水套管进行底板防水。
5)地埋管换热器安装完成后,应在埋管区域做出标志或标明管线的定位带,并应采用两个现场的永久目标进行定位。
6)地埋管换热器安装位置应远离水井及室外排水设施,并宜靠近机房或以机房为中心位置。
7)水平地埋管换热器安装时,应防止石块等重物撞击管身。回填料应细小、松散,且不应含石块与土块。
8)地埋管换热器安装前后均应对管道进行冲洗。
5结语
晋瑞苑小区占地面积80亩,建筑面积21.2万m2,共建设8栋住宅楼,建设地下立体停车位1 300个,是我省单体面积最大的采用土壤源热泵技术项目。项目实现了20万m2建筑物的供暖、供冷、供生活热水三联供,每年可节约标准煤1 200 t,减少排放二氧化硫26 t、二氧化碳3 200 t、氮氧化物13 t,符合绿色施工要求。
该项目由于具有显著的环境效益和社会效益,因此被山西省人民政府列入2009年全省152个重点工程,同时经过国家住建部、财政部的严格遴选,成为全国12个国家支持的节能减排项目之一。
现竣工投入使用以来,运转正常,满足全小区冬季采暖、夏季制冷及全年提供生活热水需求。
参考文献
[1]GB50366-2005,地源热泵系统工程技术规范[S].
土壤源热泵 篇6
1 土壤源热泵系统的原理及特点
1.1 土壤源热泵的原理
地源热泵是一个广义术语,其包括以土壤、地下水和地表水为冷热源的热泵,即地下耦合热泵(Ground Coupled Heat Pump,GCHP)、地下水热泵(Ground Water Heat Pump,GWHP)、地表水热泵(Surface Water Heat Pump,SWHP)。通常地下耦合热泵也称为土壤源热泵。根据地下热交换器的布置形式,主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇形埋管三类。垂直埋管换热器通常采用的是U形方式,按其埋管深度可分为浅层(<30 m),中层(30 m～100 m)和深层(>100 m)三种。夏季制冷时,大地作为排热场所,把室内热量以及压缩机耗能通过埋地盘管排入大地中,再通过土壤的导热和土壤中水分的迁移把热量扩散出去。冬季供热时,大地作为热泵机组的低温热源,通过埋地盘管获取土壤中热量为室内供热。两个换热器都既可作冷凝器又可作蒸发器,只是因季节不同而功能不同。它们之间功能的转换由四通阀门(换向阀)控制。
1.2 土壤源热泵的优点[4,5]
1)节省占地空间。
2)机组性能系数高,节能效果好。
3)地下换热器与土壤换热不受外界环境的影响,由于土壤温度全年波动很小,使土壤源热泵系统的运行效率比传统空调系统高40%～60%,因此能耗少,运行工况稳定,比传统集中式空调系统节省运行费用30%～60%[6]。
4)环保、无污染。
5)运行与维护费用低。
6)系统可靠性强,使用寿命长。
1.3 土壤源热泵系统的缺点
1)土壤源热泵系统连续运行时,热泵的冷凝温度、蒸发温度受土壤温度变化的影响而波动,导致热泵运行效率下降。
2)地下换热器的传热性能受土壤性质影响较大。
3)由于土壤热导率较低,地下换热器与周围土壤的传热量较少,因此与空气源热泵相比,土壤源热泵地下换热器的设计换热面积较大。
2 国内外的发展与研究状况
2.1 国外的发展与研究状况
1912年,瑞士的H.Zoelly在一项专利中描述了利用土壤作为热源的热泵计划[7],但是由于当时一次能源充足,热泵技术没有得到重视与发展。从1974年起,瑞典、瑞士、荷兰等国政府资助的示范工程逐步建立起来,实施了30个工程开发研究项目,使得地源热泵技术日趋完善。1971年～1978年,美国进行了多种形式地下换热器的测试,并引入太阳能集热器,组成混合土壤源热泵系统。这一时期开始采用塑料盘管代替金属盘管。20世纪70年代末～90年代初,冷热联供地源热泵的研究工作在美国率先展开。这一时期,地源热泵技术飞速发展并趋于成熟。目前,国外对土壤源热泵的研究仍集中在地下换热器的传热性能上。地下换热器的设计、计算模型约30多种,对所有模型的建立,关键是求解岩土温度场的动态变化,最基本的模型可以概括为两种:1)1948年,L.R.Ingersoll提出线热源模型[8]。2)圆柱热源模型。
2.2 国内的研究与发展状况[8]
20世纪50年代,天津大学热能研究所吕灿仁开展了国内最早的热泵研究[12],并论证了热泵系统是提高低温地热利用率和城市供暖的有效方式,同时介绍了地源热泵模拟试验,并于1965年研制了我国第一台水冷式热泵空调机组。1989年青岛建筑工程学院建立了国内第一个土壤源热泵系统的试验台,高祖锟教授对北方地区利用水平盘管地下换热器的土壤源热泵系统用于冬季供暖进行了一些研究。刘宪英等从1999年开始在国家自然科学基金的资助下进行了浅埋垂直盘管地下换热器和水平盘管地下换热器的特性研究,采用系统能量平衡结合传热方程建立了垂直套管管群换热器传热模型,并模拟了过渡季节大地的温度场。
3 土壤源热泵技术展望
3.1 土壤源热泵发展面临的问题
1)观念方面:空气源热泵和燃气、燃煤供热技术相对成熟,使得人们选择土壤源热泵系统时会面临阻力。2)土壤特性:土壤的特性随地点的变化而有所差别,在一地区的研究结果可能完全不适用于另一地区,必须进行相应的修正甚至重新研究。3)暖通空调技术与其他技术的配合:土壤源热泵技术是暖通空调技术与钻井技术相结合的综合技术,两者缺一不可,这要求工程组织者和工程技术人员能够合理协调、做好充分的技术经济分析。4)初投资问题:并不是所有的地源热泵系统都是经济合理的,由于钻井费用可能占到整个系统初投资的50%以上,有些投资者可能会回到传统的空调。5)对环境的影响:土壤源热泵空调系统钻井对土壤热、湿及盐分迁移的影响研究有待进一步深入,如何使不利因素减少到最小是必须考虑的问题。6)地下换热器传热机理的理论研究繁多,但缺乏理论与实践的有效结合,缺乏多环境下应用技术的系统研究以及实际有效的强化传热方法。不同冷、热负荷下,地下换热器与热泵系统最佳匹配技术的研究不够。
3.2 土壤源热泵发展的前景
地源热泵系统作为一种新技术,目前取得了很大的发展,虽然有许多问题尚待解决,但是,其应用前景非常广阔。我国地域辽阔,各地的气候条件和土壤条件各不相同,其中大部分地区夏热冬冷,适合地源热泵的使用范围。加之我国采暖和制冷基础还相对薄弱,将来需求量无可比拟,被认为是世界上直接利用地热潜力最大的国家。随着生态环境保护的深入人心和节能意识的加强,建筑环境和生活水平的不断提高,土壤源热泵系统因其节约常规能源、充分利用可再生能源以及减少环境污染和资源破坏等显著优点,将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术之一。
摘要：概述了土壤源热泵系统的特点,阐述了土壤源热泵技术在国内外的发展、研究现状,最后介绍了土壤源热泵技术在发展中面临的问题及在制冷空调中的广阔应用前景。
土壤源热泵 篇7
地源热泵技术是当前世界上最先进的供暖制冷新技术。它利用浅层常温地热能解决了供暖制冷问题, 属于可再生能源利用技术。近10 a来该项技术在全世界的应用, 每年以20%以上的速度增长, 到2005年年底, 已有33个国家在推广这项技术。它有三大优点, a) 比其他常规供暖技术可节能50%～60%;b) 环保, 不排放任何废弃物;c) 运行费用可降低30%～70%。它是供暖制冷领域解决环保和节能问题的重要技术选择。
山西太原的晋瑞苑建筑节能示范小区就是国家鼎力扶持的12个利用可再生能源, 解决建筑节能的工程项目之一。小区位于太原市小店区晋阳街80号, 东临山针中路, 西至唐槐路, 北起晋阳街, 南邻荣军北街。小区距离太原武宿国际机场4.5 km, 到正在建设的太原高速铁路火车站仅1 km, 是太原市规划建设的可再生能源建筑应用的示范小区。
晋瑞苑小区是山西国瑞投资有限公司所属的山西国瑞房地产开发有限公司, 继2005年国瑞公司利用原生污水水源热泵技术, 建设的总建筑面积15×104 m2的“绿色建筑与低能耗建筑”示范工程国瑞苑小区之后, 开发建设的又1个“绿色建筑与低能耗建筑”示范小区。
1 中国推广应用地源热泵技术的情况
中国地源热泵从技术引进到大规模推广, 经历了10 a多的时间。近几年来, 能源短缺, 价格猛涨, 国家大力支持地源热泵的发展, 并在政策上给予了一定的优惠条件。在中国科学技术部的支持下, 从美国引进最先进的地源热泵技术, 并结合中国气候、水文地质、经济水平、生活习惯, 进行创新和系统优化, 开发出一系列适合中国供热制冷市场的地源热泵系统技术, 供热制冷效果符合国家标准。地源热泵技术已成为供暖制冷领域利用可再生能源实现节能、环保、供热费用低廉的主要技术手段。
地源热泵技术自20世纪末作为国家“十一五”科技攻关计划从美国引进以来, 在科技部、建设部、国家发改委、财政部的支持下, 作为国家鼓励推广的节能环保技术列入多项推广计划, 从资金、税收、贷款、补贴等多方位予以政策扶持。2007年财政部和国家发改委下发的《节能技术改造财政奖励资金管理暂行办法》规定, 企业每节能1 t标煤, 中央财政奖励200元～250元, 其中包括建筑节能工程。地方政府也出台相应政策推广节能减排技术。如, 北京市政府从2006年起对采用地源热泵技术供暖的工程一次性补贴50元/m2, 使用者可享受分时谷价电费优惠。
在这些政策的扶持下, 北京利用该技术供暖的住房已达到1 800×104 m2, 到2010年将发展到3 500×104 m2。
北京奥运会主体育场“鸟巢”就使用了地源热泵, 从土壤中吸收能量, 用于补偿体育场空调系统等。据统计, 北京奥运会实施的358个“绿色奥运”项目, 包括了新能源项目69项、建筑节能项目168项、水资源项目121项。其中, 建设的9个太阳能热水系统中, 4个项目建设了地源热泵, 3个项目建设了水源热泵, 还有2个项目直接利用了地热。
2006年11月, 沈阳市政府办公厅下发了《关于全面推进地源热泵系统建设和应用工作的实施意见》的[2006]20号文件, 决定在沈阳市已经形成地源热泵供热 (制冷) 面积312×104 m2的基础上, 全面推进地源热泵系统建设和应用。从2008年起, 每年建设和应用地源热泵技术不少于1 600×104 m2, 截止2008年底, 已完成2 900×104 m2。至2010年底, 计划实现地源热泵技术应用面积6 500×104 m2, 占全市当期供热面积的32.5%。
重庆地源热泵技术在国内位居前列。重庆市已有渝中区化龙桥项目B3/01地块、开县人民医院业务综合楼、珠江太阳城和南江水文地质工程地质队集资楼4个项目入选国家级可再生能源建筑应用示范工程, 获得约3 000×104元的国家财政资助。
据了解, 重庆市出台的《重庆市可再生能源建筑应用示范工程专项补助资金管理暂行办法》规定, 对利用可再生能源热泵机组的空调, 按机组额定制冷量补贴人民币800元/kW, 利用可再生能源提供生活热水的高温热泵机组, 按机组额定制热量补贴人民币900元/kW。
把地源热泵技术作为1种替代燃煤和电能供热制冷的新技术, 正在青岛市快速推广。2006年, 青岛市城阳区千禧国际村3期住宅项目在全市率先采用地源热泵技术进行试点。截至2008年, 仅青岛城阳区已有9个约60×104 m2的建筑项目采用了地源热泵中央空调技术。目前, 银盛泰商务港、城阳区经贸中心、海都国际、蓝钻商务等4个公共建筑和四方机车车辆厂等2个工业项目, 均采用了地源热泵技术。
目前, 广东地区已经成为中国热泵行业最主要的生产基地和消费市场。据不完全统计, 目前广东地区的热泵企业大约有197家, 主要分布在广州、东莞、佛山、珠海、中山、深圳等地区。广东地区热泵企业数量占到全国半数以上, 而且规模较大的企业80%以上都聚集于此, 估计广东热泵产业的产能至少占到全国总量的65%以上。
2 晋瑞苑土壤源热泵应用示范小区
晋瑞苑可再生能源建筑应用项目于2008年6月22日开工。奠基伊始, 国瑞房地产公司就以严谨务实、诚实守信的工作作风, 确立“百年大计, 质量第一”的理念, 打造出节约资金、品质优良、安全施工、确保进度的“绿色建筑与低能耗建筑”示范工程, 为建设美丽和谐的新太原, 提升太原市城市的品味作出应有的贡献。国瑞公司坚持对省国资委、各股东单位以及团购单位和购房业主高度负责的态度, 精心组织, 科学筹划, 合理调度, 使得设计、管理、施工、监理等部门和流程协调一致, 用了1 a的时间, 完成了主体工程, 于2009年8月2日全面封顶。
项目正式开工后, 经过紧张的桩基工程、地埋管工程, 2009年3月完成整个基础工程部分, 2009年5月20日1号楼率先封顶, 其余7座楼房在8月2日前陆续封顶。项目从开工到主体全面封顶, 仅用了13个月, 实现了“质量优、速度快、无事故”的预期目标。
晋瑞苑示范小区占地5.333×104 m2, 总建筑面积21.2×104 m2, 共建设8栋住宅楼1 084套住宅, 底商面积0.93×104 m2, 地下立体停车位1 300个。小区除住宅地下室外, 在所有地下车库下面布设了土壤源换热器1 125眼。换热器总长度为120 015 m, 采用双U形管连接。所有土壤源换热器通过水平埋管通向位于物业楼地下室的地源热泵机房, 机房内地源热泵机组取热 (放热) 后, 通过小区外网向全小区供热 (供冷、供生活热水) 。
土壤源热泵技术是利用大地作为热源进行热交换的新型中央空调技术。由于较深的地层, 在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度, 冬季通过热泵把大地中的热能提升温度后对建筑供热, 同时使土壤的温度降低, 蓄存了冷量, 以供夏季使用。夏季通过热泵把建筑中的热量传输给大地, 对建筑物降温, 同时在土壤中蓄存热量以供冬季使用。这样在地源热泵系统中大地就是庞大的蓄能器, 提高了空调系统全年的能源利用效率。该项技术最大的优势在于节能环保, 运行成本低, 有着极佳的经济效益和社会效益。
3 土壤源热泵系统的节能效应
土壤源热泵系统不受地下水位的影响, 具有高效、环保、无污染等优点。
a) 高效。地下浅层土壤中的温度一年四季基本恒定, 略高于所在地区的年空气平均温度, 使得热泵无论在制冷或制热工况中均处于高效率点。
b) 节能。冬季运行时, COP约为4, 即投入1 kW电能, 可得到4 kW左右的热能;夏季运行时, COP大于4, 即投入1 kW电能, 可得到4 kW以上的冷量, 能源利用率为电采暖方式的3倍～4倍。
c) 环保。供热时省去了锅炉系统, 没有燃煤过程, 避免了排烟污染, 供冷时省去了冷却系统, 避免了冷却塔噪声及霉菌污染。
d) 一机多用。热泵系统既可供冷、供暖, 还可提供生活热水, 不仅节省了大量能源, 而且减少了设备的初投资。其总投资额仅为传统空调系统的60%～80%, 并且主机体积小, 施工工期短。
e) 节省运行费用。系统的高效率, 压缩机的低功耗, 使运行费用大幅减少, 只有传统方式的2/3。
f) 节省占地空间。土壤换热器一般埋设在建筑周边绿地、地下停车场, 不占用地面空间, 省去了冷却塔、锅炉及与之配套的煤场和渣场, 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。
晋瑞苑小区是山西省单体面积最大的采用土壤源热泵技术的项目, 将实现20×104 m2建筑物的供暖、供冷、供生活热水三联供, 可节约标煤1 200 t/a, 减少SO2排放26 t/a, CO2排放3 200 t/a, NOx排放13 t/a, 因此, 被山西省人民政府列入2009年全省152个重点工程项目。2009年7月20日, 国家建设部、财政部经过严格遴选, 将这个项目确定为全国12个国家支持的节能减排项目, 并得到国家政策扶持资金1 324×104元。
小区为向省属企业定向开发, 销售对象全部是省属企业中低收入家庭, 施工单位也全部是省属企业。晋瑞苑小区的建成, 给省属市场房地产开发建设带了个好头, 也在省城房地产企业扎扎实实地站稳了脚跟, 对推进省属企业转型发展起到了探索者的作用。
小区的建设者——山西国瑞房地产开发有限公司作为省属企业, 勇于承担社会责任, 在开发建设房地产项目中全部采用地源热泵技术, 为“发展循环经济, 实现节能减排”、“打造碧水蓝天的新山西”贡献自己的力量。由于使用土壤源热泵技术, 项目总投资3 500×104元, 尽管初投资大, 却减少了建设燃煤锅炉和冷却塔, 实现对外零排放, 而且, 运行费用低, 大幅度降低了用户的能源使用费用, 社会效益和经济效益极佳。
小区建设过程中, 得到了山西省重点工程领导组办公室、山西省建设厅、山西省发改委、山西省国资委等单位的大力支持。
4 结语
地源热泵以地表能 (包括土壤、地下水和地表水等) 为热源, 通过输入少量的高品位能源 (如, 电能) , 实现低品位热能向高品位热能转换。冬季, 地源热泵供暖时, 把地表中的热量“取”出来, 供给室内采暖, 同时向地下蓄存能量, 以备夏用;夏季, 通过热泵将建筑物内的热量转移到地下, 释放到土壤等地表介质中, 向地下蓄存热量, 以备冬用。
尽管土壤源热泵还存在着初投资大、施工难度大、埋地换热器受土壤物性影响较大等不足之处, 但由于土壤资源广泛, 在目前和将来, 土壤源热泵是最有前途的节能装置和空调系统, 是国际空调和制冷行业的前沿课题之一, 也是地能利用的重要形式。
目前, 世界各国都比以前更加关注能源、环境及可持续发展问题, 传统的以燃煤为主的能源结构越来越满足不了当前形势发展的需要。因此, 要实现经济的可持续发展, 就必须尽可能地利用清洁、可再生能源, 而土壤源热泵因其节能性、环保性及运行的稳定性已经成为1项很好的选择。
为了扶持“绿色建筑与低能耗建筑”的开发项目, 2009年7月, 财政部、住房和城乡建设部联合制订了《可再生能源建筑应用城市示范实施方案》。方案规定对纳入示范的城市, 中央财政将予以专项补助。资金补助基准为每个示范城市5 000×104元, 具体根据2 a内应用面积、推广技术类型、能源替代效果、能力建设情况等因素综合核定, 切块到省。推广应用面积大, 技术类型先进适用, 能源替代效果好, 能力建设突出, 资金运用实现创新, 将相应调增补助额度, 每个示范城市资金补助最高不超过8 000×104元;相反, 将相应调减补助额度。
土壤源热泵 篇8
关键词：别墅,太阳能,系统设计,地埋管换热器
目前在我国的能源消耗总量中, 建筑能耗约占45.5%, 其中建筑运行能耗约占20%, 而采暖、通风和空调能耗约占建筑运行能耗的2/3[1]。随着人们生活水平的提高, 别墅型建筑的数量逐年在增多, 这类建筑多处于城市的边缘地带, 绝大部分没有集中供暖, 冬季多采用电采暖和燃气供暖, 运行费用较高且存在安全隐患。
别墅用太阳能土壤源热泵系统属于地热能和太阳能综合利用的一种形式, 太阳能与土壤热源具有较好的互补性[2], 土壤热源可以弥补单独采用太阳能不能在夜间和阴雨天运行的弊端[3], 在土壤源热泵系统中加入太阳能集热器可以提高热泵系统长期运行的稳定性。
1系统设计方案
1.1工程概况
工程地处哈尔滨市, 采用太阳能土壤源热泵系统对建筑面积约300m2的二层别墅供暖。该系统供暖循环水温度设计温度为45℃供暖室内温度不低于18℃。
1.2工程设计方案
系统以太阳能和土壤源作为能量的主要来源, 通过优化设计和有效集成, 实现节能减排的目的。系统运行原理如图1所示。主要包括三部分:地埋管换热器、土壤源热泵机组、太阳能集热器。冬季供热工况时, 太阳能集热器、地埋管换热器与土壤源热泵的蒸发器串联联接, 通过介质循环, 从太阳能集热器和地下土壤中吸取热量为室内供热。系统的控制通过控制中心实现, 该系统具有自动控制功能, 也可以切换到人工控制, 运行安全可靠, 无需专人看管。另外, 太阳能集热系统的引入, 减少了热泵机组的运行时间, 可进一步降低系统的运行费用和提高系统的可靠性。
2系统设计计算
2.1建筑热负荷计算
供暖设计热负荷可采用面积热指标法进行计算。
2.2热泵机组选型计算
考虑冬天换热及热水输送过程中存在能量损失 (乘1.2系数) , 所选机组制热量为:
钻孔个数取7个, 采用单U型垂直埋管的型式, 根据管径与埋深关系, 所选PE100管的管径为DN32。地埋管换热器采用串联布置, 孔径为180mm, 孔距为5m。
2.4太阳能集热器计算
太阳能集热器采用热管真空管太阳能集热器, 安装倾角根据系统所在地的维度确定, 集热面积应满足:
太阳能集热器蓄存在土壤中的热量+热泵夏季排入土壤中的热量=冬季热泵从土壤中的取热量
由此确定太阳能集热器面积约为30m2, 安装倾角为500。太阳能集热器在冬季光照充足的天气与热泵机组的蒸发器串联使用, 能够提高土壤源热泵机组蒸发器侧进口温度, 并且夏季可以往土壤中蓄存热量, 从而提高热泵机组的制热效率。
3经济性及环境效益分析分析
3.1经济性分析
别墅用小型太阳能土壤源热泵系统与其他供暖方式运行费用的比较如表1所示, 按目前的燃料价格和电价计算, 其运行费用比锅炉房集中供暖低93.5%;比电采暖的运行费用低239%。
3.2环境效益分析
一般来说, 每燃烧一吨煤可产生440kg的二氧化碳, 20kg的二氧化硫, 15kg烟尘。不同供热方式的污染物排放量如表2所示, 与燃煤锅炉相比, 使用太阳能土壤源热泵系统平均可减少79.3%的CO2, 79.0%的SO2, 79.2%的烟尘排放量;与电采暖相比, 可减少65.0%CO2, 64.0%的SO2, 64.9%的烟尘排放量。
4结论
4.1别墅用小型太阳能土壤源热泵的运行费用比锅炉房集中供暖低93.5%;比电采暖的运行费用低239%, 运行费用较低。
4.2与燃煤锅炉相比, 别墅用小型太阳能土壤源热泵系统平均可减少79.3%的CO2, 79.0%的SO2, 79.2%的烟尘排放量;与电采暖相比, 可减少65.0%CO2, 64.0%的SO2, 64.9%的烟尘排放量, 减排效果显著。
4.3小型太阳能土壤源热泵适合在北方别墅建筑的供暖中推广和应用。
参考文献
[1]李兆坚, 江亿.我国广义建筑能耗状况的分析与思考[J].建筑学报, 2006, 7:30-33.
[2]张文雍, 郑茂余, 王潇, 等.严寒地区太阳能土壤源热泵季节性土壤蓄热[J].煤气与热力, 2009, 29 (8) :21-24.