东南大学地埋管地源热泵空调系统讲义(SEU)

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1、2009 Lotus CO.,LTD 地埋管地源热泵空调系统 东南大学能源与环境学院 制冷与人工环境系 一、地源热泵系统 简介 二、地埋管地源热泵系统设计 三、 地埋管 地源热泵土壤热响应测试 四、地埋管换热器设计 五、地下热平衡设计 六、 地埋管 地源热泵空调系统优化运行控制 简 介 一、地源热泵系统简介 随着国际上环保和充分利用可再生能量资源的可持续发展大 趋势 , 人类越来越重视开发新的能源形式和充分利用可再生能 量资源 , 特别是更加注重蓄能技术和再利用技术的应用前景。 地源热泵空调系统由于它有节能、环保的特点 , 在近十几年 , 尤其是近 5 年 ,在北美、北欧一些发达国家得到了较快

2、发展。 地 源 热 泵 系 统 原 理 图 （ 供 暖 ） 地 源 热 泵 系 统 原 理 图 （ 制 冷 ） 1.1 地源热泵系统分类 地源热泵是一种利用浅层地热，包括土壤、地下水、地表水等天然 能源作为冬季热源和夏季冷源，然后再由热泵机组向建筑物供冷供热的 系统，是一种利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空调系统。 （ G S H P ） 地 源 热 泵 地下水源热泵系统 （ GWHP） 地表水源热泵 （ SWHP） 地埋管地源热泵 （ GCWP） 1.2 埋管式土壤源热泵系统 2）垂直埋管地源热泵系统：换热器井管路直接接入机房、 换热器井管路汇集到集水器 。 1.2 埋管式土壤源热

3、泵系统 2）垂直埋管桩基换热器 ： 1.2 埋管式土壤源热泵系统 2）垂直埋管地热智能桥 ： 1.2 埋管式土壤源热泵系统 3）螺旋埋管地源热泵系统 ：长轴水平布置的螺旋埋管、长 轴竖直布置的螺旋埋管、沟渠集水器式螺旋埋管。 1.3 埋管式地源热泵应用方式 1. 家用系统 1.3 埋管式地源热泵应用方式 1. 商用系统：集中系统 、 分散系统和混合系统 1.4 埋管式 地源热泵的优点： 地源热泵的优点 高效节能、运行费用低 利用可再生能源 , 可持续发展 运行无污染，环境效益显著 设备占地空间小 , 节省建筑空间 二、 地源热泵系统设计 地 源 热 泵 系 统 设 计 设计的原始资料与依据 建

4、筑物冷热负荷计算设计 冬夏季地下循环水换热量计算 现场勘察探与热响应测试 地下换热器设计 空调主机及末端系统设计 2.2 热泵机组的选择 1. 热泵容量的选择 2. 热泵性能的确定 : 土壤热泵的性能取决于热泵的进水温度，必须确 定室外空气和进水温度之间的关系。进水温度与多个因素有关， 如一年的运行时间，土壤类型，土壤换热器的类型、大小等。 2.3 地源热泵循环水的换热量计算 冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。 可以由下述公式计算： 其中， Q11 夏季向浅层地表排放的热量， kW， Q1 夏季设计总冷负荷， kW Q12 冬季从浅层地表吸收的热量， kW，

5、Q2 冬季设计总热负荷， kW COP1 设计工况下水 -水热泵机组的制冷系数 COP2 设计工况下水 -水热泵机组的供热系数 2.4 选择室内末端系统 风机盘管系统，屋顶地板辐射采暖方式，全空气系统 等。通常采用风机盘管 系统时，空气分布系统的设计主要考虑以下三个方面： （ 1）选择安装风管的最佳位置； （ 2）根据室内的得热量 /热损失计算来选择并确定空气分布器和回风格栅的 位置； （ 3）根据热泵的风量和静压力，布置风管的走向，确定风管的尺寸。 三、 地源热泵土壤热响应测试 设计地源热泵系统的地热换热器需要知道地下岩土的热物性 参数。如果热物性参数不准确，则设计的系统可能达不到负 荷需要

6、 ;也可能规模过大，从而 加大初期投资 。 另外，不同的 封井材料、埋管方式对换热都有影响，因此只有在现场直接 测量才能正确得到地下岩土的热物性参数。 3.1 埋管式地源热泵热响应测试要求 实验主要在三个方面展开： 1）首先是热响应测试，以恒定的加热功率求出地埋管换热器进出 口温度随时间的变化情况，通过曲线拟合求出土壤的导热系数等热 物性； 2）模拟夏季空调的制冷试验，测量井埋管换热器的放热能力； 3）模拟冬季的制热试验，测量井埋管换热器取热能力 。 3.2 热响应测试原理 图 3 1 测试系统原理图 1. 加热水箱 ; 2. 温度控制器 ; 3. 补水箱 ; 4. 水泵 ; 5. 变频器 ;

7、 6. 压力传感 器 ; 7. 集水器和分水器； 8. 涡轮流量传感器 ; 9. 温度传感器 ; 10. 数显功 率表 3.3 热响应测试步骤 1.合理制定试验方案，根据现场及设计条件，合理选择试验 钻孔位置，避免传热干扰，试验包括放热和取热试验 2.测量并提供地下土壤的初始温度分布 3.通过测量分析计算地下土层的综合热物性参数，包括土壤 导热系数和热容，回填料的热物性参数和配比以及管材的热 物性参数 4.按照设计工况测试，测量提供埋管取热、放热特性，并进 行分析对比 5.根据埋管群布置情况，利用试验及模拟所得的数据，根据 实际地源热泵系统的运行情况，对整个地源热泵埋管区域地 下热响应进行计算

8、机模拟计算分析，得出：地下土壤温度随 时间变化；分别以加辅助散热设备和不加辅助散热设备两种 情况下，得到实际运行的土壤热积聚情况分析；并根据土壤 热积聚情况分析计算出供冷季和供热季地源热泵系统供冷供 热能力 6.根据模拟分析，为保证全年土壤取放热量平衡给出辅助散 热设备的设计容量以及与地埋管换热器联合运行的控制策略。 为工程设计提供参考数据 3.3 热响应测试步骤 3.4 热响应测试软件 热响应测试软件 Demo 3.5 热响应测试数据分析 热响应测试软件 Demo 3.6 热响应测试模拟软件 热物性模拟软件 Demo 3.6 热响应测试模拟软件 热响应模拟软件 Demo 3.6 热响应测试模

9、拟软件 首先是建筑冷热负荷分析； 负荷叠加说明图 3.6 热响应测试模拟软件 距离管壁不同距离传热 离孔洞中心不同半径处的传热量随时间的变化 3.6 热响应测试模拟软件 土壤温度分布 3.6 热响应测试模拟软件 近管壁温度分布（五年） 无冷却塔无热水埋管井壁处土壤五年温度随时间变化 四、地埋管 土壤 换热器 设计 水平埋管 垂直埋管 水平螺旋型埋管 在现场勘测的基础上确定换热器埋管采用垂直布置还是水平布置方式。尽 管水平布置时通常为浅层埋管 , 初投资一般会少些 ,但换热性能比垂直布置 时差很多 ,并且往往受可利用土地面积的限制 ,所以在实际工程中 ,一般采用 垂直埋管布置方式 。 4.1 土

10、壤换热器埋管的布置型式 1 水平埋管 : 水平埋管主要有单沟单管、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。 4.1 土壤换热器埋管的布置型式 2 垂直埋管 : 一般有单 U 形管，双 U 形管， W型管、套管式管，小直径螺旋 盘管和大直径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管等形式；按埋设深度不同 分为浅埋（ 30m）、中埋（ 31 80m）和深埋（ 80m）。目前使用最多 的是单 U 形管（ Single-U-pipe），双 U 形管（ Double-U-pipe），简单套 管式管（ Simple Coaxial pipe） 4.1 土壤换热器埋管的布置型式 3 土壤换热器的埋管

11、深度： 钻井深 60m 以内井深的钻机成本少，费用低， 如果大于 60m，其钻机成本会提高；井深 80m 以内，可用国产普通型承 压（承压 1.0MPa）塑料管，如深度大于 80m，需采用高承压塑料管，其 成本大大增加；据比较，井深 50m 的造价比 100m 的要低 30% 50%。 上述是针对地面中央机房而言，如果采用分室型的水源热泵系统还要考虑 建筑高度的影响。 从统计的国内外工程实例看，中埋的地源热泵占多数。 4.2 连接方式 地下换热器中流体流动的回路形式有串联和并联两种 串联系统管径较大 ,管道费用较高 ,并且压降特性限制了系统能力。并联 系统管径较小管道费用较低 ,且常常布置成同

12、程式 ,当每个并联环路之间 流量平衡时 ,其换热量相同 ,其压降特性有利于提高系统能力。 因此 ,实际 工程一般都采用并联同程式。 4.3 管材选择及长度计算 管材选择 地埋管应采用化学 稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小 的塑料管材及管件，宜 采用聚乙烯管（ PE）或聚丁烯管（ PB）。（ PE 材料按照国际上统一的标准划分为五 个等级： PE32 级、 PE40 级、 PE63 级、 PE80 级和 PE100 级。用于地源热泵管道 PE 管的生产为高密度聚乙烯 HDPE，其等级是 PE80、 PE100 两种）。 地埋管长度计算 地源热泵换热器的换热量应该满足空调主机实际所需最大吸

13、热量和施热量。 根据现场实测的岩土体及回填材料的热物性，以及热泵机参数、建筑物逐月负荷、设定 循环液体进出温度、给定换热器结构尺寸，采用 专用软件 进行计算。 也可以用半经验公式计算。 4.3 管材选择及长度计算 管件与连接 4.4 地埋换热器系统水力计算 管道压力损失计算 在同程系统中 ,选择压力损失最大的热泵机组所在环 路作为最不利环路进行阻力计算。 循环泵的选择 单机扬程一般不超 32m，变流量水泵，功率不超过 30kw。 塑料管的摩擦阻力远比铁管小。 4.5 确定埋管管长与埋管间距 地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当 地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等

14、（通过热响应实验测得）。 规定管间距不小于 4米 五、地下热平衡设计 地源热泵系统工程技术规范 GB50366-2009 规定： 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（排）热量宜与其总吸（取） 热量相平衡。 各种设计方案的机理 依据岩土体的热平衡状况：即不同地区气候条件、不同功能的空 调房间和不同运行方式所形成的累积排热量与累积取热量的状况。 5.1 全年累积排、取热量比 ral 全年累积排、取热量比 ral（ ratio of accumulated loads）是全年 向地埋管换热器的总排热量与其总取热量之比。 当 ral=1 地下

15、岩土年平均温度 保持不变 Q排 = Q取 当 ral1 Q排 Q取 地下岩土年平均温度 逐年升高 当 ral1 Q 排 Q取 地下岩土年平均温度 逐年降低 目 标 ： 岩 土 温 度 不 变 尽 量 减 少 对 机 组 和 环 境 的 影 响 5.2 历年累积排、取热总量曲线 ral 1的工程 ，冬季开始供热使用 ，然后在夏季制冷，全年冬夏季 取排热总量相等，负荷总量变化曲线为曲线 。反之，夏季开始制冷使 用，则为曲线。 历年负荷总量累积曲线 1、 4 平衡型 2 累积排热型 3 累积取热型 历 年 累 积 排 取 热 量 Q/GJ 5.3 热平衡设计的九种设计方案 据岩土体的累积排热量和累积

16、取热量的平衡状况和我国不同地域、不 同气候特点，提出以下 9种设计方案： 方案 1 地埋管 +热泵机组 方案 2 地埋管 +热泵机组 +冷却塔 方案 3 地埋管 +热回收热泵机组 方案 4 地埋管 +热回收热泵机组 +冷却塔 方案 5 地埋管 +双冷凝器热泵机组 +闭式冷却塔 方案 6 地埋管 +热泵机组 +扩大供热面积 方案 7 地埋管 +热泵机组 +辅助热源 方案 8 地埋管 +热泵机组 +太阳能 方案 9 地埋管 +热泵机组 +通风表冷器 5.4 中国建筑气候分区 5.5 方案应用的地域性分析 以 5个典型气候区域代表城市的全年逐时空调负荷为例分析， 5个代表城市 分别为严寒 A区的齐齐

17、哈尔，严寒 B区的沈阳，寒冷地区的北京，夏热冬冷地区 的上海，夏热冬暖地区的广州。 5个代表城市的全年排热量、取热量的不平衡率 不平衡率 =（排热量 -取热量） /排热量与取热量中的较大者 100% 排 取 热 不 平 衡 率 % 依据：不平衡率越接近 0时越容易实现全年热平衡，而越接近 100% 则越难实现热平衡。 城市 所属气候区 热量不平衡率 % 可能的适用方 案 热泵形式 齐齐哈尔 严寒区 -96 方案 7 9 - 沈阳 严寒区 -88.2 方案 7 9 - 北京 寒冷区 -54.2 方案 7 9 - 上海 夏热冬冷区 26.5 方案 2 6 - 广州 夏热冬暖区 85 方案 2 6

18、5.5 方案应用的地域性分析 六、 地源热泵空调系统优化运行控制管理 6.1 地源热泵系统运行关键 ：稳定性、系统节能 稳定性：地下放热取热稳定、长期运行的土壤热平衡、 系统节能：机组运行模式（热回收）、输送节能、地下有效交换换热 . 6.2 复合运行模式 1） 设定温度控制： 以埋管换热为主，当通过埋管进入冷凝器的水温（或离开冷凝 器的水温）达到并超过一设定温度时，即开启冷却塔辅助散热。 2） 温差控制： 当通过埋管进入冷凝器的水温（或离开冷凝器的水温）与室外湿球 温度的差值超过一设定温度时，则开启冷却塔辅助散热。 3） 控制开启时间： 固定冷却塔的开启时间，例如每天晚上 8 点到 12 点开冷却塔 ，或固定每年某几个月始终开启冷却塔。 六、 地源热泵空调系统优化运行控制管理 水地源热泵系统测控与分户计量测控软件 Demo 六、 地源热泵空调系统优化运行控制管理 水地源热泵系统测控与分户计量测控软件 Demo 6.2 具体功能 客户 /服务器结构 热湿状态监测 热泵操作参数限制 冷却塔 /电动阀门 /管路的自动切换 水地源地下温度监控 循环水泵状态监测及自动控制 末端状态监测及自动控制 历史数据查询 能耗远程管理