地源热泵介绍.ppt

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可再生能源－－地源热泵同济大学暖通空调及燃气研究所张旭教授&博导&所长&博士后 地热资源的利用土壤热源热泵系统（GSHP）综述土壤有效导热系数的研究及热响应实验土壤热源热泵系统地埋管换热器放热量实验GSHP系统设计上海天邻别墅GSHP系统分析大规模地源热泵土壤温度变化模拟国内GSHP系统工程应用目录 地热资源的利用目前，建筑节能开展得如火如荼，地源热泵系统作为一种可再生能源系统，正受到前所未有的重视。《中华人民共和国可再生能源法》已由中华人民共和国第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议于2005年2月28日通过，现予公布，自2006年1月1日起施行。 GSHP系统综述GSHP系统术语GSHP系统类型GSHP系统与常规家用空调系统的比较GSHP系统的优点GSHP系统的关键技术大地初始温度场分布埋地换热器传热数学模型 GSHP系统综述地源热泵系统(GSHP)土壤耦合热泵系统(GCHP)地下水热泵系统(GWHP)地表水热泵系统(SWHP) GSHP系统供热模式GSHP系统制冷模式系统比较常规家用空调系统 GSHP的优点低运行费用，比传统空调系统节能25～50％多余过热蒸汽经减温装置，夏季向用户提供免费热水，冬季热水加热的费用减半低噪声，运行安静不受室外温度波动影响，高效，运行稳定对环境影响小，绿色环保提供优质的室内热舒适环境低维护费用,为传统空调系统的1/3用于区域供热、供冷，调节性高经久耐用，寿命可达20年以上结构紧凑，无外挂设备，美观大方 GSHP系统的关键技术埋地换热器传热模型的研究回填材料的研发土壤热源热泵系统的合理配置土壤热物性的研究 大地初始温度场分布 埋地换热器传热数学模型根据拉氏变换可得温度解析解t=960h不同土柱半径处土壤温度 土壤有效导热系数研究土壤有效导热系数试验研究（1996～1997）土壤有效导热系数的分形研究（2002～2003） 土壤有效导热系数的试验研究土壤有效导热的一般表述含水率密度饱和度土温t空隙比e 探针测量试验原理1.加热器引线2.热电偶3.陶瓷管4.热电偶引线5.不锈钢套管6.环氧树脂7.不锈钢管8.石蜡填料9.双股加热器绕线10.焊接封头式中，是单位长度探针的热容量。是单位长度探针单位时间的发热量。根据拉氏变换可得探针的过余温度 土壤有效导热系数的试验研究Fig.1土Fig.2砂Fig.4土砂比2：1Fig.3土砂比1：2 土壤有效导热系数的分形研究SectionPlaneofSoilSample1SectionPlaneofSoilSample2 剖面固体颗粒分布分维面积测量尺度——固体颗粒面积——无标度空间土壤样品1：10-6mm2～4mm2土壤样品2：10-3mm2～100mm2 土壤剖面上固体颗粒分布自相似规律土壤样品1自相似分布规律土壤样品2自相似分布规律 土壤样品粒径分布自相似规律土壤样品1粒径分布规律土壤样品2粒径分布规律 土壤结构的分形模型土壤微结构空间分布微结构分形模型 土壤样品有效导热系数的分形表述土壤样品1土壤样品2 土壤样品1土壤样品2 土壤样品有效导热系数数据比较样品1试验数据分形计算数据样品2试验数据分形计算数据 热响应实验热响应实验的理论基础是开尔文的线源理论，以下公式描述了线源理论，热响应实验就是在此公式基础上进行土壤热参数计算的热响应实验原理图如右图所示热响应实验设备的原理就是一个闭式的加热设备，通过地下换热器给土壤加热，并记录相关温度数据，根据所收集数据通过专业数据分析软件进行数据分析从而得到导热系数等参数。地下换热器实验设备电源数据采集加热 热响应实验热响应实验装置外观图热响应实验数据处理软件 地埋管换热器放热量实验本实验所处地点为同济大学文远楼，原理图如右图所示1－单U型地埋管；2－恒温水箱；3－电加热器1；4－电加热器2；5－球阀；6－水泵；7－止回阀；8－铂电阻温度计；9－水表；10－潜水泵；11－Y型过滤器。某地源热泵地埋管换热器试验原理图 地埋管换热器放热量实验对于特定的地埋管换热器，在保持其他量不变的情况下，单位井深放热量随着供水温度的提高而增大，通过最小二乘法拟合可以得到单位井深放热量随供水温度的变化关系式为：y=217.26Ln(x)－743.29式中，y为单位井深放热量，w/m井深；x为供水温度，℃。 GSHP系统设计GSHP系统设计基础资料空调系统的冷热负荷室内空调设备的选择室内空调系统的设计GSHP系统的选择和设计步骤GCHP系统地下换热器设计 GSHP系统设计基础资料总平面的水文地质、地表情况地质和水文地质的成分调查报告地表水应用调查报告地下水系统试验井的调查报告垂直地下换热器系统试验孔调查报告水平地下换热器试验坑调查报告监视井水的质量 空调冷热负荷分区负荷高峰负荷－用于地下换热器设计平均负荷总能耗计算Degreeday法Bin法Hourbyhour法DeST负荷频率表地下负荷 室内空调设备的选择水－空气水源热泵机组GCHP系统使用GWHP和SWHP系统使用美国制冷学会（ARI）的水－空气热泵标准 GCHP系统的选择考虑地下换热器所需的地表面积考虑地下管道的承压立式热交换器一般限制在六层以下水平系统考虑占地面积混合式GCHP系统（附加冷却塔）游乐场、草地、停车场可设置地下换热器管道要保温（管路温度高于7.2～10℃除外）北方地区系统需加抗冻剂溶液 美国GSHP系统的水温要求 GCHP系统设计步骤决定地下性质（钻试验孔洞）确定管道管径、尺寸、孔洞分析、回填计算所需孔洞长度及布置孔洞设计外部集管系统的阻力计算及水泵的选择设计清洁系统 GCHP系统地下换热器设计地下换热器埋管形式竖直埋管、水平埋管管路连接方式串连、并联流动同程、异程地下热交换器的组成供回集管、环路、同程回流管、U型弯管塑料管的选择塑料管材－PE、PB GCHP系统地下换热器设计塑料管尺寸PE3408SDR11PE3408SCH40PB2110SDR13.5PB2110SDR17塑料管直径的选择管道要大到足够保持最小输送功率管道要小到管内流动为紊流内径小于50mm，管内流速0.6～1.2m/s内径大于50mm，管内流速小于1.8m/s地下换热器换热量－地下负荷地下换热器长度单位管长换热量35～55W/m同济大学试验单位管长换热量40～60W/m GCHP系统地下换热器设计地下换热器的钻孔数钻孔间距—相邻孔洞最小间距4.5m地下换热器的孔深根据钻孔数确定，一般为40～90m地下换热器阻力计算沿程阻力局部阻力采用当量尺度法地下换热器环路水泵选型地下换热器水管承压能力校核水系统其他装置设计 空调系统全年运行能耗分析BIN参数全年动态负荷计算GSHP系统全年运行能耗计算热泵机组的能耗埋地换热器侧循环水泵能耗室内侧冷冻水循环水泵能耗空调末端设备能耗ASHP系统全年运行能耗计算风冷热泵机组能耗风侧换热器风机能耗冬季除霜能耗室内侧冷冻水循环水泵能耗空调末端设备能耗GSHPASHP系统负荷侧能耗相同忽略不计 上海地区2℃间隔24小时运行BIN参数BIN-6-4-202468101214hours（h）1276168351524486440498521478428wetbulbtemperature（℃）-6.3-5.1-3.3-1.60.11.83.86.28.210.011.5BIN1618202224262830323436hours（h）499589613616537718587361927714wetbulbtemperature（℃）13.615.517.61921.423.825.025.826.427.027.4 天邻别墅全年动态负荷计算 GSHP系统全年运行能耗分析 ASHP系统能耗分析 埋地换热器内部温度分布埋地换热器内部温度模拟如图所示，可以看出管间距对温度变化的影响，上图为间距52mm，下图间距72mm，为了防止供回水管间的热干扰，管间距应选择适宜长度。 土壤源热泵管群的模拟结果间距4m温升0.401℃间距3m温升0.712℃间距2m温升1.413℃大规模土壤源热泵管群，由于其埋管布置密集，在中心区域会造成土壤的热堆积，土壤温度的升高如果不能得到及时的恢复，将对换热性能造成很大影响，所以，对热泵管群的模拟显得尤为重要。模拟了不同管间距经过一年后的土壤温度变化。选取点为中心最不利点。 间距2m的管群土壤温度年变化 间距4m的管群土壤温度年变化 桩基式管群模拟目前，工程中出现了利用建筑现有桩基埋设换热器的实例。在工程桩中埋设换热器，可以减少系统的初投资，使地源热泵能够得到更普遍的使用。 土壤源换热器埋管方式钻孔埋设单U型管换热器钻孔埋设W型管换热器工程桩内埋设换热器 土壤源换热器埋管方式武昌对工程桩内埋设大直径螺旋盘管换热器和W型换热器的形式进行多次试验，埋设W型换热器一次试验成功，两次埋设大直径螺旋盘管换热器的试验均失败，分析失败原因主要是试验桩深45m，存在桩位偏差，工程桩在放下导管和用导管捣固混凝土时极易撞断捆扎在钢筋网架内侧的HDPE100塑料管，虽然设计考虑了在钢筋网架内设置井字型导管舱保护塑料管，但吊装20m钢筋网架易变形，且旋喷钻孔桩成孔速度快，泥浆护壁质量不高，易造成塌孔，强行放下的钢筋网架内的导管舱中心存在偏差，造成导管放下失败。故工程桩内埋设换热器设计采用W型换热器。 桩基式地源热泵土壤温度年变化 桩基式地源热泵土壤温度年变化 桩基式地源热泵土壤温度年变化管群中心区域热堆积较显著，模拟单管换热量为50W/m的情况，经过一年的运行，温度升高为1.3度左右。 模拟土壤温度测点布置图 桩基式地源热泵土壤温度年变化红色为距离换热器最近点其温度波动随水温的变化波动最大；黑色为距离换热器最远点其温度变化滞后于水温变化 国内土壤源换热器试验研究武昌某工地测试井研究杭州某工地测试井研究武昌站某工地测试井研究南京朗诗国际街区测试井研究 土壤源换热器试验研究武昌某工地测试井研究试验选用的井埋管编号1号井单U埋管2号井W型埋管垂直埋管段垂直深度[m]105110垂直管总长度[m]210440回填材料水泥浆＋膨润土水泥浆＋膨润土安装方法自然下管自然下管井口直径400mm500mmPE管外径[mm]2525内径[mm]2020连接管距离[m]2045连接管总长度[m]4090保温材料橡树保温套,厚度20mm试验井埋管的施工和安装数据 土壤源换热器试验研究武昌某工地测试井研究试验井埋管垂直段的释热量分析1号井埋管垂直段传热性能分析2号井埋管垂直段传热性能分析进水温度流量进出口温差散热量进水温度流量进出口温差散热量[℃][m3/h][K][W/m井深][℃][m3/h][K][W/m井深]37.20.8815.158.437.360.8856.6872.8试验井埋管垂直段的吸热量分析1号井埋管垂直段传热性能分析2号井埋管垂直段传热性能分析进水温度流量进出口温差取热量进水温度流量进出口温差取热量[℃][m3/h][K][W/m井深][℃][m3/h][K][W/m井深]4.30.814.6414.30.8126.352.8试验研究发现，W型井埋管在深度相差5m的情况下比单U型井埋管散热能力约大20%以上，取热能力约大25%以上。 土壤源换热器试验研究杭州某工地测试井研究试验井埋管的施工和安装数据试验选用的井埋管编号1号井单Ｕ埋管2号井单Ｕ埋管垂直埋管段垂直深度[m]3060垂直管总长度[m]60120回填材料混凝土水泥浆＋膨润土安装方法300mm钢筋笼自然下管井口直径400mm110mmPE管外径[mm]2525内径[mm]2020连接管距离[m]14.610.1连接管总长度[m]29.220.2保温材料橡树保温套,厚度20mm 土壤源换热器试验研究杭州某工地测试井研究试验井埋管垂直段的释热量分析试验井埋管垂直段的吸热量分析试验研究发现，回填材料混凝土的传热性能优于水泥浆＋膨润土。其单位散热能力增大30％左右，取热能力增大27％左右。1号井埋管垂直段传热性能分析2号井埋管垂直段传热性能分析进水温度流量进出口温差散热量进水温度流量进出口温差散热量[℃][m3/h][K][W/m井深][℃][m3/h][K][W/m井深]36.90.86264.337.050.862.7344.71号井埋管垂直段传热性能分析2号井埋管垂直段传热性能分析进水温度流量进出口温差取热量进水温度流量进出口温差取热量[℃][m3/h][K][W/m井深][℃][m3/h][K][W/m井深]5.350.8571.5148.65.350.8422.2636.4 土壤源换热器试验研究武昌站某工地测试井研究试验井埋管的施工和安装数据试验选用的井埋管编号1号井单U埋管2号井双U埋管工程灌注桩U埋管垂直埋管段垂直深度[m]606036垂直管总长度[m]12012072回填材料泥浆泥浆混凝土安装方法自然下管自然下管自然下管井口直径150mm150mm400mmPE管外径[mm]323232内径[mm]262626连接管距离[m]20306连接管总长度[m]406012保温材料橡树保温套,厚度20mm 土壤源换热器试验研究武昌站某工地测试井研究试验井埋管垂直段的释热量分析1号井埋管垂直段传热性能分析2号井埋管垂直段传热性能分析工程桩埋管垂直段传热性能分析进水温度流量进出口温差散热量进水温度流量进出口温差散热量进水温度流量进出口温差散热量[℃][m3/h][K][W/m井深][℃][m3/h][K][W/m井深][℃][m3/h][K][W/m井深]37.51.1082.56237.51.1552.157836.90.86260 土壤源换热器试验研究武昌站某工地测试井研究试验井埋管垂直段的吸热量分析1号井埋管垂直段传热性能分析2号井埋管垂直段传热性能分析工程桩埋管垂直段传热性能分析进水温度流量进出口温差取热量进水温度流量进出口温差取热量进水温度流量进出口温差取热量[℃][m3/h][K][W/m井深][℃][m3/h][K][W/m井深][℃][m3/h][K][W/m井深]6.91.112.3396.91.1152.15485.350.8422.2641试验研究发现，管径相同，流量相当的情况下，双U型埋管可以增大取热量的散热量约20%，灌注桩的取散热量与单U型埋管基本接近。 由于武昌站的测试时间短，试验结果与杭州相差很大，偏差与试验方法有关，试验结果仅供设计参考。本工程土壤源换热器传热能力采用距于武昌站3.5km处某工地的测试数据，并用杭州工程桩的试验研究结果进行修正，这样的结果偏于安全。单U型井埋管W型井埋管工程桩W型埋管管径DN25/DN32DN25/DN32DN32释热量[W/m井深]587395吸热量[W/m井深]415369传热能力表 埋管型式总释热量(kW)总吸热量(kW)地块A工程桩加65m单U型井埋管233159地块B工程桩加65m单U型井埋管35622542地块C工程桩加65m单U型井埋管848601工程桩加65m单U和Ｗ型井埋管1014733地块D工程桩加65m单U型井埋管1163833工程桩加75m单U型井埋管1262902地块E工程桩加65m单U型井埋管16751185工程桩加75m单U型井埋管19351368各地块的释热和吸热能力表当设计单U型井埋管钻孔深度为65m时，地块A、B、C区的总释热量4633kW,总吸热量3302kW；当地块A、B、D区设计单U型井埋管钻孔深度为75m,C区设计W型井埋管钻孔深度为75m时，地块A、B、C、D区的总释热量6471kW,总吸热量4629kW。 国内桩基式地源热泵工程实例南京朗诗国际街区占地面积16万平米；建筑面积30万平米；共18层 朗诗国际街区地源热泵系统朗诗国际街区采用土壤耦合地源热泵系统，垂直埋管方式从土壤中提取和释放热量利用建筑本身的桩基，在桩基中埋入U型或W型土壤换热器，节省了埋设土壤换热器所需的打井费用，同时节省了占地面积由桩基内换热器提供的冷量不足，剩余部分在建筑周边打井进行补充 土壤源换热器试验研究南京朗诗国际街区测试井研究试验选用的井埋管编号B4号井单U埋管B6号井W型埋管垂直埋管段垂直深度[m]6060垂直管总长度[m]120120回填材料黄沙＋膨润土水泥浆＋膨润土安装方法自然下管采用支承PE管外径[mm]2525内径[mm]2020连接管距离[m]26.222.8连接管总长度[m]52.445.6保温材料橡树保温套,厚度20mm试验井埋管的施工和安装数据 土壤源换热器试验研究南京朗诗国际街区测试井研究试验井埋管垂直段的释热量分析B4号井埋管垂直段传热性能分析B6号井埋管垂直段传热性能分析进水温度流量进出口温差散热量进水温度流量进出口温差散热量[℃][m3/h][K][W/m井深][℃][m3/h][K][W/m井深]34.720.8214.0764.434.590.8133.6957.8试验井埋管垂直段的吸热量分析B4号井埋管垂直段传热性能分析B6号井埋管垂直段传热性能分析进水温度流量进出口温差取热量进水温度流量进出口温差取热量[℃][m3/h][K][W/m井深][℃][m3/h][K][W/m井深]7.040.8422.3738.87.030.8582.2237.0 武汉清江花园地源热泵空调系统设计清江花园小区总建筑面积38000平方米，在小区中心花园下面地下车库底部共埋设U型PE换热管32000米，共设200多个埋深孔，孔深在65－80米之间，中间以回填材料填实。下图为地下埋管系统图。 西安都市之门地源热泵系统管委会大楼地总建筑面积68530.1m2，地下二层总面积为14361m2，共20层。千人会堂总建筑面积10800m2，地下一层，地上三层。地埋管总平面图 大规模埋地换热器分区设计由于大规模地埋管的布置，对系统的稳定性及控制是一个很大的考验，由于管路多，布置密集，如果单一管路发生故障，对其它管路造成影响则会影响系统的稳定运行。在某些实际工程中，采用了地下小室及二级分集水器等措施，其原理即为将大面积的埋地换热器划分为若干小区域，通过初级分集水器连接这些小区域，方便控制，利于调节。西安都市之门地源热泵设计初期方案将整个埋地换热器布置分为十二个小型区域。具体如下图所示。 ABCDEFGHIJKL将换热器划分为12个小区域大规模埋地换热器分区图 A区埋管详细布置图初级分水器初级集水器 初级分集水器水管连接图初级分集水器的水管统一连接到制冷机房的二级分集水器上 谢谢！