地源热泵系统及规范

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冷凝器 空 调 末 端
水泵
压 缩 机 U型埋管
回热器
膨 胀 阀
蒸发器
水泵
2013-8-11
土壤源热泵的特点
可再生能源利用技术 经济有效的节能技术 环境效益显著 一机多用,应用范围广 系统维护费用低,运行可靠 运行稳定,使用舒适
2013-8-11
土壤源热泵的特点
1.可再生能源利用技术
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水源热泵系统
地下水源热泵
地表水源热泵
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土壤源热泵空调概述
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土壤源热泵
国际能源大会WEC 国际能源署IEA, 国际制冷学会IIR等 国际组织及从事热泵的研究者都普遍认为土壤源热 泵是: •在目前和将来最有前途的节能装置和系统 •国际空调和制冷行业前沿课题之一 •地热利用的重要形式 1998年美国暖通空调工程师学会ASHRAE技术奖就授 予土壤热源热泵系统。
淹没环路闭式系统
2013-8-11
形式
2013-8-11
埋深、管径和最小钻孔孔径对应表
2013-8-11
垂直土壤换热器
1. 深度,一般为50m~120m 2.占地面积,由孔数和孔距决定 3.孔的直径,一般为100mm~150mm 4. 孔的距离一般为4m~8m 5. 孔内的管束: 单U, 双U 6. U形管的材质直径,一般为1′PE管
风冷:主机要与外界通风良好,设 置地点受限制(屋顶、地面); 水冷:冷却塔,锅炉位置受限制
土壤的温度很稳定,换热 受外界天气条件影响大,运行不稳 运行效率 稳定,不受外界空气的变 定效率低 化而影响,运行效率高 控制系统 不存在结霜问题 环境效益 真正意义的绿色环保空调 北方冬季,风冷热泵冲霜问题,主 机逆循环,室内室温控制受限。 将废热气或水蒸气排向室外环境, 对环境造成很大的污染 。
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土壤源热泵的特点
3.环境效益显著
污染物排放与空气源热泵相比减少40%以上,与电 供暖相比减少70%。 没有燃烧、排烟,也没有废弃物,且不用远距离 输送热量,是真正的环保型空调,没有风扇的能 耗和噪声。 夏季不会向建筑周围空气放热,冬季不会从建筑 物周围空气吸热。机组的埋地换热器可以布置在 花园、草坪及建筑物周围地下,不占建筑面积。
太阳能辅助系统
在北方,热负荷大于冷负荷,采用太阳能板辅助加热, 可以减少地源热泵的埋管,提高热泵效率。夏季还可 以提供生活用热水。
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土壤源热泵地下埋管介绍
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土壤换热器种类
1.垂直(推荐) 2.水平(用于建筑面积较小) 3.螺旋
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垂直埋管

特点:不需要直接抽 取地下水,不会对本地区 地下水的平衡和品质造成 任何影响,不会受到国家 地下水资源政策的限制。 • 占地比水平 埋管少,热交换比较稳定, 打孔的费用比较高。
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土壤源热泵的应用情况
在美国: 截止1985年全国共有14,000台地源热泵 1997年就安装了45,000台 到1999为止已安装了400,000台 每年以10%的速度稳步增长 1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的 19%,其中新建筑中占30%。
最初的地源热泵工程主要是国内一些工程公司代理国外 产品做的,近两年国内也出现了很多设备厂商和越来越 多工程公司。
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土壤源热泵适用性
适用于: • 别墅和容积率不太高的住宅小区、公共建
筑 和办公楼等 • 附近有足够打孔或埋管的区域和适宜打孔埋 管的地质条件
不太适用于: • 建筑密度很大的地方
据1999年的统计,为家用的供热装置中,地源 热泵所占比例,瑞士为96%,奥地利为38%, 丹麦为27% 。
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土壤源热泵的发展(国内)
国内的地源热泵起步较晚,近几年已开始产业化起步, 而且处在高速发展阶段。 80年~1998年主要以天津大学和天津商学院为主进行土 壤热泵模拟实验。 1998年至2004年重庆建筑大学、湖南 大学、天津大学、山东建工学院、清华大学等单位在理 论研究和实验研究方面有了一定的成果。
早在1912年瑞士人H. Zoe11y就提出了土壤源热泵应用的思 想,但大规模应用直到二战结束后,才在欧美兴起 地下埋管换热器的研究真正开始于1946年。 20世纪50年代初,英国的Sumner和von Cube 安装了用于住 宅供暖的地源热泵 1973年“能源危机”以后,土壤源热泵的研究安装在欧美等 国大量出现 进入20世纪90年代,土壤源热泵的应用和发展进入了一个新 发展阶段。目前,土壤源热泵在欧美的热泵装置的市场占有 份额大约是3%。 1993年成立了国际土壤源热泵协会(IGSHPA)。
1998年美国能源部颁布法规,要求在全国联邦政府机构的 建筑中推广应用地下耦合热泵供热空调系统。美国总统布 什在他的得克萨斯州的宅邸中也安装了地源热泵空调系统。
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土壤源热泵的应用情况
中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家 主要利用浅层地热资源,(埋深<400米深)的 地源热泵用于室内地板辐射供暖及提供生活热 水。
土壤源热泵的组成
土壤换热器
水循环
热泵 机组
水或空 气循环
用户末端
1.土壤换热器
2.水/水热泵主机
3.用户末端
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土壤源热泵运行基本原理图
室内 室外
空气 墙体 膨胀阀 钻井 可逆阀 压缩机 冷凝器/蒸发器 风机 冷凝器/蒸发器
埋地换热器
液体循环泵
土 壤
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土壤源热泵空调系统图
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土壤源热泵
被称为: “ 21世纪的一项以节能和环保为特征的 最具有发展前途的绿色空调技术 ”
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地源热泵示意图——夏季

冷 热 冷
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地源热泵示意图——冬季
温暖 冷
寒 冷
温暖
温 暖
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土壤源热泵与普通空调的比较
土壤源热泵空调 主机设置 主机设置灵活 普通空调
制冷 制热
12 40
7 45
30(低)/40(高) 0(低)/5(高)
35(低)/45(高) -5(低)/0(高)
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土壤源热泵空调经济性分析
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土壤源热泵空调的经济性分析
1.投资成本分析
包括:钻井、埋管、地源热泵机组和末端空调系统。
Cane等(1996)的调查,在整个系统总投资中,地源 部分(包括钻井、回填、埋管)的材料、安装与施工等费 用约占20%--60%,平均占30%
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土壤源热泵的特点
4.一机多用,应用范围广
可供暖、空调,还可供生活热水 一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装 置或系统 可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑 更适合于别墅住宅的采暖、空调。
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土壤源热泵的特点
5.系统维护费用低,运行可 靠
地源热泵非常耐用,机械运动部件非常少 所有的部件埋在地下或是安装在室内,从而避免 了室外的恶劣气候 地下部分可保证50年 维护少,节省维护费用
改进后为膨润土+石英砂
现在根据现场情况选用导热性较好的填料
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设计过程
1.
2.
制热量(制冷量)
确定孔径, 孔距和埋管直径, 钻孔深度
3.
4.
单位长度地埋管的换热量
钻孔数量
5.
开槽图和钻孔分布图
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武汉地区土壤源热泵应用分析
武汉地区地下5m以下,土壤温度基本恒定,高 于全年平均气温(16.3 ℃ ) 2 ℃ 左右,100m处 为20℃左右 武汉地区夏季空调室外计算干球温度为35.2 ℃ , 冬季空调室外计算干球温度为-5 ℃ 。因此,使用 土壤作为热泵机组的吸热和排热场所具有很大的优 越性。
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地下水源热泵运行工况
使用侧冷热水
进口温度/℃ 出口温度/℃
热源侧(或放热侧)水
进口温度/℃ 出口温度/℃
制冷
12
7
30
35
制热
40
45
20(高)/10(低)
10(高)/2(低)
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土壤源热泵运行工况
使用侧冷热水
进口温度/℃ 出口温度/℃
热源侧(或放热侧)水
进口温度/℃ 出口温度/℃
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冷却塔辅助冷却复合地源热泵
冷 却 塔 补 偿 系 统
在冷负荷大于热负荷时, 若以夏季冷负荷设计埋 管会大大增加初投资, 冬季又浪费能源,因此 可以采用冷却塔辅助冷 却,减少埋管尺寸,降 低安装费用。这种形式 的系统已成功运用在多 个商用建筑中。
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太阳能辅助加热复合地源热泵
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土壤源热泵的特点
6.运行稳定,使用舒适
机组的运行工况稳定,几乎不受环境温度变化的 影响。 寒冷的冬季制热量也不会衰减,更无结霜除霜之 虑。 在耗电量相同的条件下,能提高夏季供冷量或冬 季或供热量。 系统末端亦可作多种选择,空调效果稳定舒适 。
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土壤源热泵的发展
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初投资费用的比较
1. 2. 3. 机组和水源热泵机组相近 不需要打井 增加钻孔埋管费用
和水源热泵系统相比, 初投资增加30~100元/平方米 和风冷热泵相比,初投资增加30~60元/平方米
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土壤源热泵空调的经济性分 析
2.运行能耗分析 :
Mancini等(1996)通过对加拿大和美国 的12个地源热泵系统的调查表明,地源热泵的年 能耗指标远低于常规空调系统冷热源平均年能耗 指标。 一个经过精心设计、安装和运行维护管理 的地源热泵系统,在满足同样舒适性标准的前提 下,其年运行能耗可仅为常规空调系统的 60%~70%。
地下水源热泵
ground water source heat pump
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地源热泵
是一种利用地下浅层地热资源(也称地能,包括地
下水、土壤或地表水等)的既可供热又可制冷的高 效节能空调系统。
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地源热泵形式
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土壤源热泵系统
垂直埋管系统
水平埋管系统
螺旋埋管系统
地表土壤和水体,收集了47%的太阳辐射能量, 比人类每年利用能量的500倍还多。 地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散 相对的均衡。 对太阳能二次利用,符合可持续性发展趋势 不受地域、资源等限制
2013-8-11
土壤源热泵的特点
2.经济有效的节能技术
全年土壤温度(5m以下)相对稳定,夏季土 壤中的温度低于对应气候条件下空气温度, 冬季土壤温度高于空气温度 理论上讲,降低冷凝温度和提高蒸发温度都 可提高循环效率,达到节能的效果 土壤对地面空气温度波动有衰减和延迟,在 耗电量相同的条件下,分别提高夏季供冷量 或冬季的供热量
• 地质条件比较恶劣的地区(如:地下岩层比 较厚和硬)
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土壤源热泵推广的限制
• 地埋管的应用可能会受到当地地质条件的制约,打 孔和埋管要占用部分土地面积 • 一次性投资费用比其他系统高,主要是额外增加 地下打孔和埋管费用 • 地质情况的不确定性 • 系统设计的技术要求比较高 • 政府、建筑设计人员和公众对这一技术缺乏了解
地源热泵系统介绍
热泵
定义:利用高位能使热量从低位热源流向高位热 源的节能装置 分类(按热源):
热泵
空气源热泵
air source heat pump
水源热泵
water source heat pump
地源热泵
ground source heat pump
土壤源热泵
ground-coupled heat pump
比风冷热泵的运行费节约 COP值较土壤源热泵小,运行能耗 运行费用 30%~40%。全年使用的空 高 调尤为明显。
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与其他系统不同之处
土壤源热泵与其他系统最大不同之处在于:夏
季冷凝排热去向和冬季蒸发吸热的来源不同。
风冷热泵为:空气 水源热泵为:地下水 地源热泵为:土壤
2013-8-11
垂直管路闭式系统
2013-8-11
水平埋管
ຫໍສະໝຸດ Baidu
水平闭式系统 特点:施工比垂直埋管简单,占地较垂直埋管大,当埋深 较浅时,换热易受环境的影响,土方开挖量比较大。
2013-8-11
螺旋闭式
螺旋闭式系统 特点:水平埋管的变种,比水平埋管占地小,单位管 长换热比水平埋管小,管用量比较大。
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淹没环路
2013-8-11
孔内管束
1. 单U
一般用于打孔成本较低(粘土,沙土等)
2. 双U
一般用于打孔成本较高(漂石,花岗岩等)
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单位长度的换热量
1.
例如:上海地区,夏天放热量60~80W/米孔深; 冬天吸热量40~60W/米孔深
2. 管距, 推荐使用 “弹性分离器”
3. 填料
早期使用膨润土(0.66~0.74W/MK)
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