地源熱泵系統(tǒng)冷熱源供給部分的設(shè)計(jì)與選用

      摘 要:地源熱泵是一種較新型的熱泵技術(shù),具有環(huán)保、節(jié)能、清潔、安全、高效等特點(diǎn)。此系統(tǒng)初投資較大,在國內(nèi)應(yīng)用時(shí)間較短,但隨著我國經(jīng)濟(jì)高速增長,社會(huì)的購買力增強(qiáng),尤其在節(jié)能要求日益提高的今天,高初投資對此系統(tǒng)的影響越來越小,此項(xiàng)技術(shù)正在國內(nèi)大力推廣。 

  關(guān)鍵詞:地源熱泵;冷熱源供給部分;設(shè)計(jì)與選用 

  中圖分類號:TB65 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 

  首鋼秦皇島板材深加工綜合辦公樓工程,正是在這個(gè)背景下應(yīng)用了地源熱泵這個(gè)新技術(shù),并且系統(tǒng)現(xiàn)場運(yùn)行情況良好,此項(xiàng)目運(yùn)用地源熱泵系統(tǒng)是一個(gè)成功的工程案例。本文詳細(xì)討論了地源熱泵冷熱源供給部分的設(shè)計(jì)計(jì)算及設(shè)備選型方法,通過參考文獻(xiàn)中查得的數(shù)據(jù)及公式逐步推導(dǎo)選型結(jié)論,分析了在選型中的各種問題與方案的比較。給相關(guān)工作人員提供一個(gè)地源熱泵技術(shù)在實(shí)際工程上的應(yīng)用實(shí)例,為今后的相關(guān)工作提供了清晰的設(shè)計(jì)思路與選型指導(dǎo)。 

  通過此篇論文,希望能提高大家對地源熱泵系統(tǒng)的認(rèn)識,并努力學(xué)習(xí)運(yùn)用此類利用再生能源、保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排的新型技術(shù),在科技高速發(fā)展的今天,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,共同建造一個(gè)舒適和諧的美好家園。 

  一、地源熱泵系統(tǒng)概述 

  地源熱泵系統(tǒng)是利用地球表面作為冷熱源,將低品位熱能轉(zhuǎn)化為用于供熱的高品位熱能以及用作制冷時(shí)的冷卻水的空調(diào)系統(tǒng)。在冬季,地源熱泵系統(tǒng)通過埋在地下的封閉管道(稱為地下?lián)Q熱器)從大地收集自然界的熱量,而后由環(huán)路中的循環(huán)水把熱量帶到室內(nèi)。再由裝在室內(nèi)的地源熱泵系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)和熱交換器把大地的能量集中,并以較高的溫度釋放到室內(nèi);在夏季,此運(yùn)行程序則相反,地源熱泵系統(tǒng)將從室內(nèi)抽出的多余熱量排入環(huán)路而為大地所吸收,使房屋得到供冷。 

  二、工程概況 

  本工程為首鋼秦皇島板材深加工綜合辦公樓工程,由兩棟辦公樓組成,總空調(diào)面積為4300m2,總采暖面積為7200mm2。此處0~100m為土壤層,地質(zhì)條件良好;有充裕的室外空間做地能井系統(tǒng);廠區(qū)無外部冷熱源供給;業(yè)主要求系統(tǒng)安全、環(huán)保并且節(jié)能。綜合考慮以上情況,本方案設(shè)計(jì)采用地源熱泵系統(tǒng),冬季用于供暖、夏季用于制冷。 

  三、負(fù)荷計(jì)算 

  方案設(shè)計(jì)階段,建筑物的冷熱負(fù)荷可采用面積負(fù)荷指標(biāo)估算的方法計(jì)算。 

 。1)熱負(fù)荷:Qr=F·q1/1000,式中:F—建筑面積(㎡),q1—熱負(fù)荷指標(biāo)(W/㎡)。 

 。2)冷負(fù)荷:Qc=n· F·q2/1000,式中:F—建筑面積(㎡),q2—冷負(fù)荷指標(biāo)(W/m2)。 

  由于辦公樓內(nèi)會(huì)議室較多,且采暖房間多集中在北側(cè),因此冷熱負(fù)荷指標(biāo)取上限值。采暖面積=7200m2;熱指標(biāo)=95W/m2;熱負(fù)荷=684kW;空調(diào)面積=4300 m2;冷指標(biāo)=130 W/m2;冷負(fù)荷=559 kW。 

  四、冷熱源設(shè)備選型 

  1 地源熱泵機(jī)組選型 

  根據(jù)以上計(jì)算,總的冷負(fù)荷為559KW,總的熱負(fù)荷為684KW。 

  根據(jù)奇威特地源熱泵機(jī)組的性能參數(shù),選用1臺VVVSN700機(jī)組,以滿足目前建筑物冬季供暖、夏季制冷的需求。 

  2 地下熱交換器設(shè)計(jì)與選型 

 。1)地能井系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算 

  根據(jù)建設(shè)單位對暖通專業(yè)的要求,本方案采用地埋管方案。 

 。4-1) 

  (4-2) 

  其中 Q'1夏季向土壤排放的熱,kW;Q1:夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷,kW;Q'2:冬季從土壤吸收的熱量,kW;Q2:冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷,kW;COP1:設(shè)計(jì)工況下機(jī)組的制冷系數(shù);COP2:設(shè)計(jì)工況下機(jī)組的供熱系數(shù)。 

  根據(jù)以上參數(shù)表計(jì)算:Q'1=559×(1+1/5.3)=665kW;Q'2=684×(1-1/4.5)=532kW 

 。2)選擇熱交換器形式 

  熱交換器有水平或垂直兩種形式?紤]到現(xiàn)場可用地表面積、當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵约般@孔費(fèi)用,確定熱交換器采用垂直豎井布置或水平布置方式。盡管水平布置通常是淺層埋管,可采用人工挖掘,初投資一般會(huì)便宜些,但它的換熱性能比豎埋管小很多,并且往往受可利用土地面積的限制,所以在實(shí)際工程中,一般采用垂直埋管布置方式。 

  根據(jù)埋管方式不同,垂直埋管大致有3種形式:(1)U型管(2)套管型(3)單管型。套管型的內(nèi)、外管中流體熱交換時(shí)存在熱損失。單管型的使用范圍受水溫地質(zhì)條件的限制。U型管應(yīng)用最多,管徑一般在50mm以下,埋管越深,換熱性能越好,最深的U型管埋深已達(dá)180m。U型管的典型環(huán)路有3種,其中使用最普遍的是每個(gè)豎井中布置雙U型管。 

  (3)串聯(lián)或并聯(lián) 

  地下熱交換器中流體流動(dòng)的回路形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種,串聯(lián)系統(tǒng)管徑較大,管道費(fèi)用較高,并且長度壓降特性限制了系統(tǒng)能力。并聯(lián)系統(tǒng)管徑較小,管道費(fèi)用較低,且常常布置成同程式,當(dāng)每個(gè)并聯(lián)環(huán)路之間流量平衡時(shí),其換熱量相同,其壓降特性有利于提高系統(tǒng)能力。因此,實(shí)際工程一般都采用并聯(lián)同程式。即本方案采用雙U型管并聯(lián)同程的熱交換器形式。 

 。4)選擇管材 

  一般來講,一旦將換熱器埋入地下后,基本不可能進(jìn)行維修或更換,這就要求保證埋入地下管材的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定并且耐腐蝕。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中使用的金屬管材在這方面存在嚴(yán)重不足,且需要埋入地下的管道的數(shù)量較多。所以,土壤源熱泵系統(tǒng)中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯(PE)和聚丁烯(PB)管材,它們可以彎曲或熱熔形成更牢固的形狀,可以保證使用50年以上;而PVC管材由于不易彎曲,接頭處耐壓能力差,容易導(dǎo)致泄漏,因此,不推薦用于地下埋管系統(tǒng)。本方案采用聚乙烯(PE)水管。 

 。5)確定豎井埋管管長 

  地下熱交換器長度的確定除了已確定的系統(tǒng)布置和管材外,還需要有當(dāng)?shù)氐耐寥兰夹g(shù)資料,如地下溫度、傳熱系數(shù)等。在實(shí)際工程中,可以利用管材“換熱能力”來計(jì)算管長。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長的換熱量,一般垂直埋管為70m~100m(孔深),夏季釋放熱量為70~80W/m,冬季提取熱量為55~65W/m,水平埋管為10~20W/m(管長)左右。根據(jù)甲方提供的對地下土壤參數(shù),30米深以下為基巖,我方建議繼續(xù)向下打孔,打到大約100米深,夏季釋放熱量約為70~80W/m,冬季提取熱量為60~70W/m。   設(shè)計(jì)時(shí)可取換熱能力的下限值,即夏季釋放熱量約為70W/m(管長),冬季提取熱量為60W/m具體計(jì)算公式如下: 

  夏季:L=Q'1×1000/70 

  其中:L—豎井埋管總長,m;Q'1-夏季向土壤排放的熱量,kW;分母“70”是夏季每m管長散熱量,W/m 

  本方案中L= Q'1×1000/70=665×1000 

  /70=9500m 

  冬季:L=Q'1×1000/60 

  其中:L—豎井埋管總長,m; Q'2—冬季向土壤提供的熱量,kW ;分母“60”是冬季每m管長提供熱量,W/m。 

  本方案中L= Q'2×1000/60=532× 

  1000/60=8866m 

 。5)確定豎井?dāng)?shù)目及間距 

  豎井深度為100m,代入下式計(jì)算豎井?dāng)?shù)目: 

  N=L/H (4-3) 

  其中 N—豎井總數(shù),個(gè);L—豎井埋管總長,m;H—豎井深度,m;關(guān)于豎井間距:U型管豎井的水平間距一般為4-5m。夏季本方案中N=L/H=9500/100=95(個(gè)孔),冬季本方案中N=L/H=8866/100=89(個(gè)孔)。 

  打孔個(gè)數(shù)按照夏季系統(tǒng)豎井?dāng)?shù)量確定,為95個(gè),占地約為1.5萬平方米,待地能井系統(tǒng)施工完畢后,此區(qū)域可進(jìn)行綠化。 

 。6)確定管徑 

  在實(shí)際工程中確定管徑必須滿足兩個(gè)要求:(1)管道要大到足夠保持最小輸送功率;(2)管道要小到足夠使管道內(nèi)保持紊流以保證流體與管道內(nèi)壁之間的傳熱,需要綜合考慮。一般并聯(lián)環(huán)路用小管徑,集管用大管徑,地下熱交換器埋管常用管徑有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm,管內(nèi)流速控制在1.22m/s以下,對較大管徑的管道,管內(nèi)流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控制在4mH2O/100m當(dāng)量長度以下,本工程地下熱交換器水流量為80m3/h,地埋管選用32mm管徑。 

  結(jié)論 

  根據(jù)前文分析情況,為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,熱泵機(jī)組以冬季可提供的熱量為基準(zhǔn)選型;地能井系統(tǒng)的負(fù)荷需要根據(jù)地源熱泵機(jī)組的制冷制熱系數(shù)進(jìn)行修正,然后依據(jù)夏季的散熱情況來確定打孔個(gè)數(shù)。經(jīng)過投資費(fèi)用和系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的比較,地下熱交換器采用雙U型管并聯(lián)同程的熱交換器形式。地埋管采用聚乙烯(PE)水管。垂直埋管孔深大約為100m深,95個(gè)管孔,占地約為1.5萬平方米。 

  地源熱泵系統(tǒng)的初投資比傳統(tǒng)的空氣源熱泵高,但它的運(yùn)行費(fèi)用較低,系統(tǒng)安全可靠,維護(hù)量小、運(yùn)行穩(wěn)定,并且比風(fēng)冷熱泵節(jié)能約40%。 

  本套地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型方案密切結(jié)合工程實(shí)際,在保證了系統(tǒng)運(yùn)行效果的前提下,優(yōu)化方案,節(jié)省了投資,得到業(yè)主的好評,并對今后的類似工程開展起到很好的指導(dǎo)的作用。 

  參考文獻(xiàn) 

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