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| 垂直埋管式地源热泵的实例应用及分析 |
| 以土壤为热源的地源热泵系统按地下埋管形式可以分为水平埋管、垂直埋管和蛇形埋管[1]。其中垂直埋管式地源热泵系统以其环保、稳定、高效节能、节省占地空间、低维护、运行费用低等优点成为一种值得研究与大力发展的可再生能源利用方式。
1 地源热泵系统简介
垂直埋地管式地源热泵系统由地下换热部分( 换热孔) 、能量转换部分( 机房系统) 及能量释放部分( 空调末端部分) 三部分组成 它在地层中直接埋设高密度PE 管 加入换热液 通过换热液循环系统 实现系统与地层的直接换热 其夏、冬季运行流程图分别如图1 和图2 所示。
土壤本身是一个无限大的蓄热体 一天中负荷高峰与低谷时热量进行相互补偿 达到平衡; 一年中 冬季供暖时系统将地表下恒温土层中的低位热能提高为高位热能 进而对建筑物进行供暖 同时在地表恒温土层中贮存冷量 以备夏季制冷时用; 夏季制冷时系统将建筑物内的热量转移到地表恒温土层中 从而达到建筑物夏季制冷的要求 同时在大地中贮存热量 以备冬季时用[2]; 在过渡季节依靠土壤的自我恢复能力进行补偿 达到平衡。所以 地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算 最小计算周期宜为一年。计算周期内 地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡。
2 工程实例分析
2.1 工程概况
北京市某警卫部队培训基地改造工程 由1# 楼、2# 楼、3# 楼、礼堂、游泳馆、宿舍楼、门诊部、食堂、室内网球场、车库等建筑组成。总建筑面积约为3.6 万m2其中1# 楼、2# 楼、3# 楼、礼堂、游泳馆目前采用的是中央空调系统 宿舍楼、门诊部、车库等目前采用暖气系统 东部为1.5 万m2 大型操练场。
原有建筑物冬季采用燃气锅炉利用散热器供暖夏季办公楼采用分体空调; 所有生活热水由锅炉房燃气锅炉提供。由于3 台燃气锅炉每年的运行费用都在400 万元以上 运行成本太大; 另外根据北京市环保要求 因此决定于2005 年4 月将原来的锅炉房进行改造 采用新型能源方式 同时也改善培训人员的居住环境。
2.2 设计参数
1) 设计负荷: 冬季采暖指标为116 W/m2 最大采暖负荷为4176 kW; 夏季制冷指标为116 W/m2 最大制冷负荷为4176 kW。
2) 游泳池加热负荷: 根据游泳池的大小 以及室内游泳池的散热等相关标准及规定 游泳池的最大加热负荷计算为240 kW。
3) 生活热水用量: 1200 人最大生活热水用量为120 m3/ 天( 50℃) 全年供生活热水 小时变化系数取2 则最大小时所需要的生活热水为10 m3/ 天( 50℃) 。生活热水由自来水从10℃加热到50℃ 最大小时加热量为10 m3/h 则生活热水所需要的最大加热负荷为466 kW。
4) 空调使用时间: 夏季为5 月1 日到10 月1 日;冬季为11 月1 日到次年4 月1 日。
2.3 技术方案
本项目采用垂直埋管式的地源热泵系统来提供所有建筑的冬季供暖和夏季制冷、以及全年生活热水和游泳池用水的加热。其中生活热水由地源热泵系统加热后 通过生活热水循环泵直接供给用户。选择螺杆式地源热泵机组3 台( 机组性能参数见
表1) 其中1 台为全热回收机组 该机组在供冷的同时 可以通过吸收空调系统中的废热来制取生活热水;空调水循环泵和地源侧循环水泵各选三台 卫生热水机组侧循环泵和卫生热水循环泵各选两台。
2.4 关键技术
地埋管换热系统是地源热泵系统的核心和关键。室外地埋管换热系统是先钻换热孔 再在换热孔内安装高密度聚乙烯管( HDPE 管) 。通过HDPE 管内的液体不断循环 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。
2.4.1 地埋管的设计
经过土壤的热物性测试 模拟了夏季制冷运行工况下土壤的温度变化 分析了土壤温度和加热功率 同时考虑建成后大部分时间都会在部分负荷状态下运行 具体设计如下: 换热孔布设在工程区内的操场下面 共钻孔348 个 井径大于φ150 mm 深150 m 孔间距5×5 m 孔内安放双U 形管 管材选用抗高压的高密度聚乙烯管( HDPE100) 管径φ32 mm 管壁厚3
mm、承压能力1.6 MPa。换热孔通过地面联络管分区连接后 分别汇入机房内。
换热孔口位于地面1.2 m 深以下 孔位分布总面积为8700 m2 而操场的总面积为1.5 万m2 可以满足换热孔布设的要求亦不影响操场的使用。
2.4.2 施工工艺
地埋管系统是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 不能再修复。
1) PE 管下入孔前的技术准备: 传统的方法是将连接好的PE 管直接下入换热孔内 PE 管在下入孔内后的形状将不规则 PE 管之间会发生强烈的换热干扰从而影响整个换热孔的换热效率。本工程采用的做法是在PE 管下入换热孔之前 在PE 管之间安装专用支架 分隔管材 使PE 管之间具有一定的距离 且尽可能紧靠换热孔的孔壁 加强换热管与地层的换热效果 减小PE 管之间的换热干扰。同时 选用加重管底接头 保持管材下入时的垂度。
2) 下管后的填料: 填料的密实与否直接关系到换热孔的换热效率 为了提高填料的密实程度 一方面要严格控制填料的速度 沿孔壁四周均匀慢速填料减少因填料过快而造成填料在孔内搭桥的机会; 另一方面在下入PE 管时 随同下入一根φ25 直径的PE 细管到孔底 在均匀填料的过程中沿细管向孔内注入水或空气 边提管边填料 使填料处于悬浮状态 均匀下沉 从而避免填料在孔内形成搭桥 即使形成搭桥也可冲开 确保填料密实 并边填料边提管。
通过以上施工工艺 可确保室外换热管系统使用寿命在50 年以上。
2.5 经济分析
测算参数取值如表2 所示:
1) 冬季采暖费用: 本工程冬季供暖运行费用为121 万元 燃气锅炉方式的运行费用为384 万元。地源热泵比燃气锅炉节约运行费用263 万元 节约68%( 具体见表3) 。
2) 夏季制冷费用: 本工程与常规冷水机组的夏季制冷运行费用比较见表4。地源热泵的运行费用为53万元 冷水机组为64 万元( 冷却塔方式) 节约11 万元 节约17%的运行费用。同时冷水机组在运行时 需要向冷却塔进行补充自来水 一般10000m2 的建筑 整个制冷季需要补充自来水3000 t 为1.62 万元 则地源热泵比冷水机组节约自来水费约5.8 万元。
3) 生活热水费用: 地源热泵生活热水的成本与燃气锅炉加热成本测算见表5。从表5 可以看出 在生活热水方面 地源热泵系统年节约68%的运行费用。
采用地源热泵系统后 2005 年11 月投入使用 经测试各房间的温度在18~25℃之间 效果良好。通过从11 月15 号到12 月21 号对用户整个地源热泵系统的总用电量进行统计 共用电量34.8 万kWh 运行费用共25 万 在预测费用之内。
3 结论和建议
由于土壤温度稳定且有蓄能的作用 垂直埋管式地源热泵较空气源热泵具有运行中不需要通过风机或水泵采热 无噪声 换热器也不需要除霜等优点 是一种环保、节能的系统。
该项目采用地源热泵系统为培训基地解决36000m2 建筑的冬季供暖和夏季制冷 以及全年生活热水和游泳池加热 这与北京市能源发展政策高度一致。通过经济性分析 该地源热泵比燃气锅炉节省运行费用。
在工程中也发现了垂直埋管式地源热泵存在的主要缺点是: 土壤的热导率小 地埋管的传热系数小需要较大的传热面积; 造价较高 运行中发生故障不易检修。这些是以后需要进一步研究的地方。
| | | 来源：admin 时间：2009-12-29 8:51:44 |  |
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