地表水源热泵系统设计.ppt

地表水源热泵系统设计,重庆大学 王勇,目录,地表水源热泵系统组成 水源的特性分析 取水系统设计 案例分析,澄清几个概念！,1、地表水源热泵系统组成,1.1地表水源热泵系统基本原理 1.2 水源热泵机组分类,1.1地表水源热泵系统基本原理,1.2 水源热泵机组分类,按照两侧处理方式：水-水机组 水-空气机组 按照转换方式：1）四通换向阀 2）水路转换 3）制冷剂阀门手动转换 突破点：四通换向阀容量！,2、水源的特性分析,2.1滞留水体的温度分布特性 2.2流动水体的温度分布特性 2.3水体水质的分析,2.1滞留水体的温度分布特性,夏热冬冷地区 湖泊、水库,重庆江口水库春季,长寿湖、甘宁水库、烟霞湖夏季,2.1滞留水体的温度分布特性,夏热冬冷地区 湖泊、水库,重庆狮子滩水库、甘宁水库冬季,重庆开县安康水库春、夏、冬季,2.1滞留水体的温度分布特性,云南（温和地区）水体夏季垂向水温分布,贵州百花湖冬季垂向水温分布,2.1滞留水体的温度分布特性,广东地区（夏热冬暖地区）两水库冬季垂向水温分布,2.2流动水体的温度分布特性,长江各测点夏季垂向水温分布,长江各测点冬季垂向水温分布,2.2流动水体的温度分布特性,乌江、富春江、湘江夏季垂向水温分布,2.2流动水体的温度分布特性,珠江夏季垂向水温分布,2.3水体水质的分析,长江江津段水质检测结果,2.3水体水质的分析,夏热冬冷地区不同水体的水质情况,3、取水系统设计,3.1闭式系统的换热盘管设计 3.2开式系统的取水设计方法 3.2.1干式取水设计 3.2.1湿式取水设计 3.3设计中的几个关键问题,3.1闭式系统的换热盘管设计,3.1.1设计应用条件 3.1.2设计计算步骤 3.1.3换热器的常用型式 3.1.4换热器换热热工计算 3.1.5闭式换热器设计要点,3.1.1设计应用条件,劣势：换热器传热温差的存在；换热器与水体换热，存在管内、外等热阻，换热效率不高；换热器表面结垢，将严重影响换热器的换热器效率；存在换热器安装和维护等问题。 应用范围： 1）当地表水水体环境保护要求较高或水质复杂，水体面积、水深与水温合适时，可以采用闭式地表水地源热泵空调系统。 2）对于建筑负荷需求小的建筑，由于需要的换热器长度小，安装方便，当水体温度能够满足换热需求时，宜采用闭式地表水地源热泵空调系统。,3.1.2设计计算步骤,1）建筑负荷分析 计算建筑负荷向水体转移的排热和吸热量 2）水体热承载分析 根据负荷计算结果和建筑负荷的排热、吸热特 征分析水体在供冷期和供热期中的水温变化以及换热器中循环介质的温度变化。 3）水体换热器的选择 根据水体的换热能力以及施工等方面确定换热器类型。,3.1.3换热器常用型式,U型管换热器,3.1.3换热器常用型式,螺旋管换热器,3.1.3换热器常用型式,盘管换热器,3.1.3换热器常用型式,毛细管换热器,补充：特殊型式,发挥你的想象力,3.1.4换热器换热热工计算,闭式换热器的选型原则： （1）根据经济性和安装工艺的难以程度，确定换热器的类型 （2）换热器材料要选用聚乙烯或聚丁烯等塑料管材，金属管材会受到水体中的化学离子的腐蚀，无法保证换热器的寿命。 （3）换热器选型要根据现场的具体情况进行确定，并可以和其他装置组合，已保证换热器固定的稳定性。 （4）换热器的选型应计算固定物和满管换热器以及放空循环水后的浮力，以便换热器循环水放水后，换热器通过浮力作用能够达到水面，保证闭式换热器的维护管理。,3.1.4换热器换热热工计算,设计计算方法： （1）建立圆管壁面温度为模型，求解获得管外速度场、温度场，从而求得综合传热系数以及管外水温的变化对管外温度场的影响，进而计算圆管外壁面非恒定温度条件下的非稳态传热过程，求得管路水温和管外水温的温度分布。 （2）软件设计，通过计算软件提供设计数据，包括设计供水（流体）温度、水温、系统流量、流体属性（主要针对使用了防冻液的流体）、地表水属性（如按照换热器位置处的冬夏季平均水温、水面积大小、深度等）、管道属性（包括管道热阻、直径、流态、管道数量、方位等）；从而确定换热器的总长度。,换热器外侧 Nuw数可以计算换热器外部对流传热系数hw Nuw= hwd/ Ra瑞利准则 ， 为格拉晓夫准则 换热器内侧 采用普通抛管时，内部流速一般可以达到紊流状态，而毛细管内流速一般很小，计算表明其流态处于层流状态 换热器管壁 内外换热耦合,长江上（流动水体）的测试值,管径DN20螺旋管长江实验,滞留水体换热器换热能力测试,松散螺旋管在静止水体，水温为27.4,U型管在静止水体，水温为27.4,3.1.5闭式换热器设计要点,1） 闭式地表水换热器的换热特性与规格应通过计算或试验确定。 2） 当冬季湖水温度在 5左右时， 若换热器的进出口温差为5， 则会导致热泵机组入口水温低于0，小型的闭式地表水系统可以采用防冻液作为保护措施，常用的防冻液有乙醇水溶液。 3）由于安装不得当，有可能出现管道泄漏。对于冬季必须采取防冻措施的大负荷闭式地表水系统，大面积的防冻液泄漏会造成对水体的污染。从技术经济分析看，防冻液由于粘度的增加，会增加水泵的能耗。同时，由于季节的不同转换，防冻液的充注会带来初投资成本的增加，综合比较，采用辅助加热措施是一个较好的方案。 4）保证换热器内的介质流动为紊流状态，换热器的管径应控制在DN2540之间。 5）流速达到1.5m/s的长江水体中，由于流速较大，换热器各部位换热效率一致，上游对下游基本上没有影响，即使外部流速小到0.01m/s，换热器对温度场的影响也非常小，实验条件下下游换热量比上游小6.04%，这是PE管传热效率低造成的，因此，在流动水体中，只要保证换热管之间有1个管径的距离，即可忽略换热管之间的影响； 6）当换热管在静止水体中上下排列时，下层换热造成的浮力流会将被加热的水带上上层，因此导致上层换热器的换热效率比下层的低，实验条件下，下层换热量比最上层换热量大4.79%； 7）单个供回水管间距为1m的U型管在静止分层水体中短时间运行不会明显改变水温分层状态，两管之间也不会有影响。 8）大面积换热器的设置，应设计成不同的环路，避免个别管路出现问题而影响整个换热器的运行。 9）各换热环路应考虑成同长度，总集管应设计成同程。,3.2开式系统的取水设计方法,3.2.1干式取水设计 3.2.2湿式取水设计,3.2.1干式取水设计,优势：安全成熟、便于维修 使用条件：水质较好，水泵叶轮耐磨 缺点：取水泵房面积较大,工作坑,江 河,绿化带,粘土、流沙层、回填土、夹沙层等非坚硬地层,公 路,液 压 顶 管 施 工 动 画 演 示,3.2.2湿式取水设计,一定情况下可以降低取水泵扬程和水泵吸入高度 泵房（相对干式）面积小 缺点是维修困难 进水孔高度（冬夏）,集水井,输水管道,固定支墩,潜水泵,取水头部,排 沙,输送至机房,3.3设计中的几个关键问题,3.3.1水体热承载能力 3.3.2取水能耗与取水温度的关系 3.3.3水处理方式 3.3.4板换的使用 3.3.5一种新型水源热泵的研发,3.3.1水体热承载能力,基础资料的收集：气候因素，包括当地的气温、太阳辐射强度、风力、气候等；水体特征因素，包括水面大小、水深、水温等。 建筑负荷的逐时计算，得到供冷期和供热期的逐时排热量和排冷量。 建立能量方程组求解或通过模拟计算软件计算建筑负荷作用下的水温分布。 根据得到的水温分布曲线，结合热泵系统的进水要求，确定水体的适应性。 通过水体热承载能力计算的水体，才进行下一步的方案选择。,估算方法,水体承担的最大空调负荷与水体特征参数之间的关系式为 （4m 10m） 单位水面面积水体承担的最大空调冷负荷； 单位水面面积水体承担的最大空调热负荷； 水体平均水深， 供冷开始时垂直方向上平均水温，； 水源热泵机组制冷能效比。 水源热泵机组制热能效比,3.3.2取水能耗与取水温度的关系,3.3.3水处理方式,活塞,压缩空气,四通换向阀,接触开关,电磁阀,控制器,3.3.4板换的使用,尽量不要使用，降低节能率30%左右 比增加清洗装置的代价高,3.3.5一种新型水源热泵的研发,3.4.1开式系统设计要点,3.4.1.1取排水口设置原则 3.4.1.2管路及系统设计,3.4.1.1取排水口设置原则,1）对于流动水体的取排水口设置，应计算排水造成的温度变化对下游建筑的影响，其计算周期应为整个供冷和供热期。 2）对于滞留水体，必须计算排水对取水温度的影响，以确定取水的位置和深度以及取排水口之间的空间距离，其计算周期应为整个供冷和供热期。 3）对于滞留水体，夏季取水应尽量取深层水温，排水接近同温层排水。 4）取水口的取水速度要尽量低或采用多点取水或水平线性取水，目的是保证水体上部的高温水被卷吸到取水层，导致取水温度升高，破坏温度分层结构。,3.4.1.2管路及系统设计,1）管路设计 对于开式地表水系统，主机侧到负荷侧的管路和传统空调的设计一致。其区别在于取水到主机侧的设计。在水体中取水的管材应采用非金属管道，防止水体中的腐蚀性离子对管路的腐蚀。建筑室外取水管路以及水下取水管路的设计，可参照给排水和市政管道的输配系统进行设计。 2）系统设计应考虑成大温差、小流量的方式 对于开式地表水系统，大温差、小流量能够降低水泵的取水能耗。对于滞留水体，取水系统设计成为大温差，能够保证排水温度高。当较高的排水温度排在水体表面，有利于水体的散热。而小温差的设计方式，不仅会浪费宝贵的底部低温水品质，而且会导致较低的排水在水体表面后，增大太阳辐射对水体的加热程度，增加水体水温的增幅值。 3）取水水泵应采用变频控制 取水泵是严重影响开式地表水系统能耗的总要参数，取水水量应根据建筑负荷的变化进行动态控制。这不仅降低了取水水泵的能耗，更为重要的是降低了滞留水体取水层的取水量，此 时水体的热承载力增加，且保护了水体的水温分布结构。 4）系统取水水质的处理 由于水质的不同，水处理方式不同。水质处理应根据不同的取水方案以及系统设计来确定水质处理方式。同一个项目，若系统设置不同，则水处理的方式也相应不同。,4、案例分析,4.1南京工程学院图书馆水源热泵设计（闭式系统） 4.2重庆希尔顿石榴湖水源热泵设计（利用景观） 4.3开县人民医院水源热泵设计（湖水源水环热泵） 4.4王朝大酒店水源热泵设计（干式取水） 4.5广州地铁站区域冷冻站地表水源热泵设计（值得商榷）,4.1 南京工程学院图书信息中心空调工程,工程概况,建筑占地面积10158 m2 ，夏季冷负荷为4896 kW，冬季热负荷为3088 kW。,闭式系统 换热盘管器单元长度为200m，共有600个单元,系统设计,系统形式,设备配置,螺旋管散热试验结果和总传热量,盘管散热试验结果和总传热量,U型管散热试验结果和总传热量,K_u型管=,=84.83 W/(m2K) K_盘管=,=82.21 W/(m2K) K_螺旋管=,=77.68 W/(m2K),设计前的测试结果：散热/取热,U型管取热试验结果和总传热量,盘管取热试验结果和总传热量,螺旋管取热试验结果和总传热量,地表水换热器设计,主水管,4.2 重庆市南山庆隆休闲会所水源热泵工程,工程概况,项目地处重庆市南岸区茶园新区，空调面积10000m2 ，冷负荷1973kW，热负荷1568kW，生活热水负荷460kW,主要设备配置,系统形式 采用水源热泵与地源热泵相结合的方式，开式取水系统，排水用于景观用水，先作为喷泉水源再流入人工小溪构成景观最后流入湖体,运行情况,系统2009年夏季开始投入使用，根据物业公司提供的资料，各空调区域的温度、湿度均能达到设计的参数。使用效果让人较为满意。在试运行阶段，由于会所营业刚开始，系统负荷都没有达到最大设计负荷，基本上开启一台机组就能满足要求，且大部分时间是在机组部分负荷下运行。运行过程中的取水温度23.530，水泵定频运行，机组平均COP值4.8。,4.3开县人民医院水源热泵设计,重庆市开县人民医院是集医疗、教学、科研与一体的大型综合性医院，位于开县新城伯承路以西、安康水库东侧。总建筑面积5441m2，大楼地下2层，地上21层，主要为开县人民医院的门诊、医技、住院用房。,住院部,医院全景图,工程概况,总建筑面积54411m2，最大冷负荷2913Kw，总耗热量为1117Kw,主要设备配置,采用开式系统，使用板式换热器，不设集中机组， 末端采用分散布置的水空气热泵机组,系统形式,主要系统设备,水环热泵机组,板换,水处理器,水泵,末端风口,运行水温变化,2009年制冷期取水温度变化,运行水温变化,2009年制热期取水温度变化,4.4王朝大酒店水源热泵设计,1.项目概况 2.取水系统 3.设备维护 4.冷热源系统 5.节能率分析 6.经济性分析 7.环境影响分析 8.系统运行能效分析,9附图,1.项目概况,重庆合川华地王朝大酒店位于重庆市合川区嘉陵江畔，为公共建筑。 总建筑面积为4.69万平方米，其中空调面积为24791平方米，最大冷 负荷3100KW，最大热负荷1400KW，热水负荷1500KW。,2.取水系统介绍,取水方案1：采用在江边设置水泵房的取水方式，泵房设置在滨江路绿化带内，不露出地面，不会影响景观环境。泵房标高为200m，取水口标高为200m水位处，可以降低取水高度，水泵取水的安全性较高。该方案不会涉及到航道运输，项目实施受到的制约因素最少。,取水方案二：采用三个分散取水口直接从江水中取水，取水水泵设置于机房中。由于取水口设置于200米水位处，与机房标高208.7米有8.7米的高差。需在取水管的末端加设塑料底阀来防止回流和漏水时抽水的真空泵。该方案中，底阀损坏会对运行维护管理造成不便，但是该方案不会影响到航道运输。,2.取水系统介绍,取水方案三：设置集水井，可以使含沙量过大的嘉陵江水在集水井内初步沉淀；潜水泵安装在装有滑轮的固定支架上，因此可以使潜水泵随嘉陵江水位的变化而上下移动；设置三个取水口，可以保证在其中一个取水口发生故障后取水系统还可以正常工作不受影响。但取水方案三的实施涉及到航道、水资源管理部门及相关水运管理部门，并且集水井的设置也增加了系统的初投资。,综合以上分析，由于本项目属于公共建筑，其用水量较大，采用取水方案一的可靠性高。因此，从可靠性的角度来分析，本项目建议采用在江边设置淹没式水泵房的取水方案！,2.取水系统介绍,该取水方式可有效减少资金的投入、不会影响航道和景观，水泵只需要放置在岸边的构筑物里或机房中。泵房采用淹没式水泵房，不影响景观，泵房标高设计采用20年一遇的洪水标高，而取水泵房的标高保证冬季的最低水位标高。当大于20年一遇的洪水位标高时，淹没式水泵房密闭门能够保证一定的运行时间，若洪水位达到一定极限时，取水系统停止运行，启动备用系统，仍然能够保证整个项目的安全运行。当洪水位退去之后，清理维护水泵房后仍可继续启用该系统方案。 总而言之，该系统经济性高，安全性好，维护方便。,嘉陵江与建筑物 高差关系图,2.取水系统介绍,取水方案图,本项目利用嘉陵江水体作为区域空调系统的低位冷热源，夏季供冷、冬季供热、全年制取卫生热水及加热游泳池恒温热水。在空调系统的使用过程中无冷却塔，可以减少冷却塔的运行能耗。冬季供暖无锅炉，无污染物的排放。在冬季水源热泵系统的供热供冷效率高，可以大大降低能源的使用费用。本项目水源热泵系统全年节约耗电量248.41万kwh,，每年可以节约812.3吨标准煤，减少CO2排放2025吨，减少SO2排放74.5吨。经过分析计算，该工程能完全满足的国家公共建筑节能标准50%的目标。,水好，水源热泵才好。嘉陵江作为水源，其水温夏季温度平均温度为26，冬季温度平均为10 ；其水质满足GB 507362012和GB 503662005要求且含砂量低；其水量四季充沛，是水源热泵良好的低位冷热源。,2.取水系统介绍,2.取水系统介绍,江水源热泵取水头（左图）,江水源热泵取水机房内部图（上图）,3.冷热源设备维护,本项目的冷热源设备维护方便高效，原因有三： 1.嘉陵江水质好 1)平时嘉陵江水中沙粒较小，取水不需要预处理。 2)水源热泵机组定期采用人工或刷管机对机组进行清沙处理。 3)当洪水期时，江水中较大粒径的沙粒，采用加旋流除砂器进行预处理。 2.刷管机定期对机组进行清沙处理 刷管机自动清洗装置的原理是利用刷管机自带的刷头，以涡旋前进的方式，随水流冲洗管壁内部的结垢，并将其带出管外。 3.机房内设备设计合理 水源热泵机房内所有的设备都预留了足够的维修空间。无论是人员走动，日常维护或停机维修，都可以满足要求。 正是由于以上三点，使得冷热源机房内的设备可以长期高效的运行。,4.冷热源系统构成,冷热源机房布置平面图,机房内总共只有五台机组，完全满足 整个工程各个季节的冷热负荷及效率。 在大约340平方米的冷热源机房内，总共有五 台机组，九台水泵，两个分集水器以及三台旋流除砂器。所有的设备都非常有序整起的放置在机房内，水管分层交错连通，形成一个有机的整体。设备四周都空出了一定的空间，既便于检修维护又便于人员走动。,4.冷热源系统构成,江水源热泵系统原理图,5.节能率分析,根据上面的能耗分析表水源热泵系统的多耗电 354.4 万 kwh,少耗天然气 162.4 万 Nm3。根据 1万 kWh 电折标准煤为 3.27tce, 1 万 Nm3 天燃气折标准煤 12.143tce。则热泵系统每年的节煤量为： M1=162.4 Nm312.143tce-354.4 万 kwh 3.27t