地源热泵空调技术应用介绍.ppt.pps

,河北省电力勘测设计研究院 河北省电力公司 2012年4月,地源热泵空调技术应用介绍,主要内容,一、地源热泵技术国内外发展状况 二、变电工程地源热泵技术应用的目的和意义 三、地源热泵简介 四、地源热泵适用条件 五、地源热泵全寿命周期分析 六、推广应用建议 七、工程应用实例,一、地源热泵技术国内外发展状况,一、地源热泵技术国内外发展状况,(一)地源热泵发展历史 1904年第一台地源热泵在意大利诞生，1912瑞典人申请专利。 20世纪80年代引入我国开始地源热泵技术的研究，90年代开始广泛应用。,一、地源热泵技术国内外发展状况,(二)地源热泵技术国外的发展状况,30,在美国1998年地源热泵已占空调的19,在美国1998年地源热泵已占新建建筑空调的30,在美国近二十年地源热泵在飞速发展,19,一、地源热泵技术国内外发展状况,(三)地源热泵技术国外的发展状况 近5年来，地源热泵技术开始大量应用于工程实践，1996 年至今，辽宁、北京、河北、山东、河南、江苏、浙江、湖北、上海等相继建成了地源热泵工程，基本覆盖了我国大部分地区。以北京地区为例，2000年源热泵应用项目的建筑面积仅为17万平米，2005年达到300万平米，到2011年达到4500万平米，地源热泵技术已在国内迅猛发展。,二、变电工程地源热泵技术应用的目的和意义,二、变电工程地源热泵技术应用的目的和意义,(一)变电工程地源热泵技术应用的目的和意义 针对日益严峻的资源、环境问题，十二五规划纲要提出“推广先进节能技术和产品，加强节能能力建设”的口号。 地源热泵属“绿色、环保、节能”空调技术，将地源热泵空调技术引入变电工程建设中，有助于加快“环境友好，能源节约、工业化”变电站的建设步伐，是国网公司“两型一化”精神的重要体现。,三、地源热泵简介,(一)什么是地源热泵 地源热泵是一种利用浅层和深层的大地能量，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，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新型中央空调系统。,三、地源热泵简介,(二)地源热泵有哪些分类 地源热泵系统分为地下水源热泵、地表水源热泵和土壤源热泵（又称地埋管地源热泵），我们通常所说的地源热泵一般指土壤源热泵，地源热泵系统一般可分为以下几类： 1.土壤源热泵系统； 2.井水源热泵系统； 3.地表水热泵系统；,三、地源热泵简介,三、地源热泵简介,夏季制冷示意图,冬季制热示意图,1.土壤源热泵系统 由于地下土壤温度常年恒定，冬季通过热泵把大地中的热量升温后对建筑供热，同时向大地中注入冷源，蓄存冷量；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量。 在地源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。这种借助于地埋管换热器完成与土壤源的冷热交换的热泵系统可称之为“土壤源地源热泵”。,三、地源热泵简介,2.井水源热泵系统（地下水热泵系统） 通过建造抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至水源热泵机组，经提取热量或释放热量后，再由回灌井群灌回地下。,三、地源热泵简介,3.地表水热泵系统 通过直接抽取或者间接换热的方式，利用包括江水、河水、湖水、水库水以及海水作为热泵的冷热源。,三、地源热泵简介,(三)地源热泵有哪些特点,三、地源热泵简介,(四)地源热泵系统由哪些部分组成 地源热泵系统一般由三个必需的环路组成,三、地源热泵简介,1）室外环路： 室外换热器,2）制冷剂环路：水源热泵机组,3）室内环路：空调末端,(五)地埋管换热器有哪些形式 地源热泵地埋管换热器主要有两种布置型式，即水平埋管和垂直埋管。选择方式主要取决于场地大小、当地土壤类型以及挖掘成本，如果场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济；如果场地面积有限时则采用垂直式布置，很多场合下这是唯一的选择。,三、地源热泵简介,三、地源热泵简介,(六)单u管与双u管各有什么特点 根据埋管形式的不同，一般有单 u 形管，双 u 形管，套管式管等形式；由于双u型管在钻孔内具有较高的换热面积，其换热效率要优于单u型管的换热效率。通常双u形埋管比单u形埋管仅可提高15%20%的换热能力。,三、地源热泵简介,三、地源热泵简介,源热泵钻孔施工现场,钻孔,(七)地下水对地埋管换热的影响 地下水的渗流或流动可加速大地热传导换热，大大增强地热换热器的热交换能力。尤其是当地热换热器冷热负荷不平衡时，地下水的渗流或流动将有效地减弱这一现象。如地下水流动活跃，可把不平衡负荷导致的多余的热量带走，可大幅降低不平衡负荷的影响，减少地热换热器的设计容量。 研究结果表明，在地下水渗流速度为30m/year左右时，热交换能力比无渗流时增大了约30%。 在北部严寒地区及南部夏热冬暖地区，因系统总的吸释热量不平衡，采用土壤源地源热泵，不能满足其使用寿命，如地下水丰富，可采用水源热泵系统。,三、地源热泵简介,(八)岩土热物性对地下传热的影响 岩土的导热系数表示通过大地的热传导能力。热扩散率是衡量大地传递和存储热量能力的尺度。岩土的含湿量对于这两个热物性参数有很大的影响。,三、地源热泵简介,(九)地质条件及钻孔深度对地埋管总容量的影响 单个钻孔的深度越深，所需的钻孔个数越小，即地埋管所占的地表面积越小。对于钻孔难度小，施工费用低的土壤层，采用较深的钻孔，可以显著降低系统的初投资并减少占用的地表面积。 钻孔费用不仅与钻孔深度有关，取决于当地的地质条件。通常岩石的钻孔费用为土壤钻孔费用的24倍，甚至达到10倍，因此应综合考虑当地的地质条件以及钻孔难易程度与施工费用等多种因素确定单个钻孔的深度。,三、地源热泵简介,换热器钻孔深度应根据站址所在地区情况，通过热物性勘探，确定土壤热物性指标，并根据换热布置面积及换热计算的结果，合理选择钻孔个数及钻孔深度。 考虑到当钻孔深度超过150m后，钻孔施工难度加大，换热器管材承压较大，施工费用及材料费用增加迅速，故此建议单个钻孔深度不易超过120m。,三、地源热泵简介,(十)地埋管钻孔间距对地源热泵换热影响 地埋管换热器其换热性能的好坏除与土壤的传热指标密切相关外，还与地埋管的钻孔布置方式，地埋管钻孔间距密切相关。 当钻孔间距小于4m时，由于钻孔间距太近，受相邻钻孔的影响，钻孔的热交换效率急剧下降；当钻孔间距为46m时，相邻钻孔之间的换热影响较小，钻孔占地面积合理； 当钻孔间距大于6m，其换热性能达到极限，占地面积迅速增加； 因此工程设计中应选择合理的钻孔间距，即满足了地面管的换热要求，又能节省占地面积。,三、地源热泵简介,(十一)地埋管钻孔布置方式对地源热泵换热的影响 地源热泵系统地埋管常用的布置方式有密集型矩形布置、沿建筑物周边u型布置、l型布置，一字型等布置方式。 当钻孔间距小于6m采用多排密集布置时，其中间部分地埋管，由于与土壤交换的冷、热量难以在短时间内迅速消散，造成中间部分地面管热交换效率下降，而边缘部分地埋管不受影响； 当地埋管采用一字型布置时，由于钻孔两侧换热介质不受其他钻孔的影响，换热效率明显高于密集布置。 变电站地埋管钻孔易结合变电站的特点，充分利用有效地空间，沿建筑物或道路一字型布置，提高地埋管换热器性能。,三、地源热泵简介,(十二)什么是回填料 回填材料是将地层中的热量传递给u形管以及管中的循环介质，或者将u形管和循环介质中的热量传递给地层的重要环节。它是一个热传递介质，首先要求其具有良好的传热性能；其次，回填材料还要具有良好的工作性，以及一定的强度、抗渗性和膨胀性等。 回填材料的作用有两方面：一方面使埋管与钻孔壁之间尽可能填实，改善换热器与土壤的换热；另一方面是防止地表水通过钻孔向地下渗透而污染地下水，同时也防止各个含水层之间的交叉污染。地源热泵系统运行效果很大程度上取决于回填材料的性能 。,三、地源热泵简介,(十三)什么是系统吸、释热平衡 对于一个地源热泵系统，如果在一年中冬季从地下抽取的热量与夏季向地下注入的热量平衡，则地热换热器在数年的长时间运行后，地下的年平均温度没有变化，对地热换热器的性能没有影响。如冷热负荷不平衡，则造成多余的热量（或冷量）在地下积累，引起地下年平均温度的变化，严重时导致系统崩溃。因此应根据全年累计冷热负荷基本平衡原则进行地源热泵设计。 最大吸热量=空调分区热负荷（1-1/cop） +输送过程失热量-水泵释热量 最大释热量=空调分区冷负荷（1+1/eer） +输送过程得热量+水泵释热量,三、地源热泵简介,(十四)如何进行地源热泵计算 地源热泵系统的负荷计算应包括：建筑物设计负荷、地源热泵系统的最大释热量和最大吸热量、全年累计释热量和吸热量、泵房水力计算等。 全年的累计释热量与吸热量宜相平衡，否则可能造成地下土壤温度逐年上升或下降，影响后继使用效果，降低使用寿命。在软件模拟阶段，应分析在20年全寿命周期内土壤变化情况，使其供回水温度控制在规范要求的范围内。 一般情况下，当累计释热量与吸热量相差较小时，可通过增加钻孔数量进行平衡；当累计释热量与吸热量相差较大时，应增设辅助措施（冷却塔或辅助热源）。,三、地源热泵简介,(十五)地源热泵的辅助冷热源有哪些 对于冷负荷占优的地区，因地制宜的引入各种辅助冷源来承担多余的建筑物冷负荷，反之对于热负荷占优地区，宜引入各种辅助热源，使地热换热器冷热负荷均衡，进而提高系统的运行效率。 可以利用的辅助冷却源有：冷却塔散热系统、地表水、空气源、以及其他各种形式可利用的废水源；通常可以采用如下几种方案：,三、地源热泵简介,1.地源热泵系统承担部分或全部的建筑生活用热水的热负荷； 2.增设冷却塔，让冷却塔承担部分夏季冷负荷，使地下冷热负荷均衡。 3.增设辅助热源，例如太阳能集热器或电辅助，承担建筑物多余的热负荷。,三、地源热泵简介,四、地源热泵适用条件,地源热泵系统具有良好的节能环保性能，其应用的成功与否直接与技术经济条件、地质条件、气候条件、建筑物负荷条件密切相关，上述四个条件，任何一项出现问题，都将导致地源热泵系统不能实现预期的节能环保效果和社会经济效益，因此通过科学的分析研究，提出地源热泵的适用条件，为地源热泵的进一步推广应用奠定良好的基础。,四、地源热泵适用条件,(一)技术经济条件 1.地源热泵初投资不宜超过1100元/m2，不应超过1400元/m2。 2.20年寿命周期内，基准收益率不应低于8.5%(平均收益率)。 3.地源热泵投资回收期不宜超过8年，不应大于10年。 4.地源热泵机组修正后能效比不应低于4.5，且系统能效比不宜低于3.4。 5.地源热泵系统设计应考虑冷热平衡对系统的长期影响。系统对土壤的吸、释热量不平衡将严重影响使用年限内的安全运行。,四、地源热泵适用条件,(二)气候条件 根据各地的气候条件不同，地源热泵的应用表现出较强的地域特性。气候条件是制约地源热泵应用的重要环境因素，其直接关系到地源热泵推广的成败。 按公共建筑节能标准gb50189-2005，建筑气候分区分为：严寒地区a区、严寒地区b区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区。,四、地源热泵适用条件,1. 我国建筑热工分区及代表城市,四、地源热泵适用条件,各地区分区指标及代表城市,四、地源热泵适用条件,各地区分区指标及代表城市,四、地源热泵适用条件,各地区分区指标及代表城市,四、地源热泵适用条件,各地区分区指标及代表城市,四、地源热泵适用条件,2. 气候条件 （1）严寒a区不适宜单纯的土壤源地源热泵系统，如地下水丰富，经技术经济分析后，确定地源、水源热泵系统的可行性； （2）严寒b区适宜采用地埋管地源热泵系统； （3）寒冷地区适宜采用地埋管地源热泵系统； （4）夏热冬冷地区不适宜单独采用地埋管地源热泵系统；地下水丰富的地区，可通过实际热响应试验获得换热指标，确定地源热泵的可行性，优先采用水源热泵系统； （5）夏热冬暖地区不适宜采用地埋管地源热泵系统。,四、地源热泵适用条件,(三)建筑物负荷条件 建筑负荷指标等于建筑物冷、热负荷除以建筑面积，如某建筑建筑面积为333m2，冷负荷指标为150w/m2，其所对应的冷负荷为50kw。当冷负荷50kw时，折算后建筑面积约为333m2，规模很小，用34台分体空调即可满足要求，节能效果不大，对于较小的负荷面积，因其节能效果不明显，不推荐采用地源热泵系统。,四、地源热泵适用条件,(四)地质条件 1.对地质硬度大的地质条件及钻孔难度大的地区不适合推广地源热泵技术。 2.对于细砂流砂型水文地质构造地区，不适合应用地源热泵系统。 3.地下水的渗流或流动有利于地热换热器的传热，因此能够减少地热换热器的设计容量。 4.不同地质条件的导热系数，对系统的换热性能影响较大；钻孔个数、钻孔间距、钻孔深度、埋管长度、布置方式等直接影响着系统的换热性能，地埋管设计时，应综合考虑上述因素的影响，确定最优设计方案。,四、地源热泵适用条件,(五)地源热泵适用条件一览表,四、地源热泵适用条件,四、地源热泵适用条件,五、地源热泵全寿命周期分析,(一)地源热泵成本分析 地源热泵投资主要由机组、室外地埋管、空调末端和施工费用四部分组成。 1.机组费用分析 机组费用主要设备价格组成，一般占初投资的35%左右，费用相对稳定，从技术发展来看，随着地源热泵市场份额的迅速增加，机组费用有降低趋势。 2.地埋管管道费用分析 室外地埋管主要费用为埋管管材费用，地埋管一般采用高密度聚乙烯管（hdpe）或聚丁烯管（pb）管材，其价格较低，一般地埋管费用占初投资的17%左右 。,五、地源热泵全寿命周期分析,3.末端费用分析 末端系统是指进入房间内的风机盘管及相应配套的连接管件，因设备简单，没有压缩机，因此设备价格低廉，其费用占初投资的13%左右。 4.施工费用分析 施工费用指地源热泵系统全部施工及安装项目所产生的费用，室外地埋管钻孔费用占主导地位。由于全国各地地质情况有很大不同，钻孔难度不一，故钻孔费用相差较大。总的来说施工费用约占地源热泵总投资的35%左右。,五、地源热泵全寿命周期分析,五、地源热泵全寿命周期分析,地源热泵各阶段成本所占比重,(二)地源热泵初投资分析 变电站空调负荷指标普遍较民用建筑大，一般为普通民用建筑空调指标的2倍左右，根据研究成果可知，当空调指标为200w/m2时，变电工程的地源热泵空调造价约为45元/w，则折合每平米造价为800元1400元。变电工程的分体空调造价约为1.251.75元/w，则折合每平米造价250元350元，地源热泵初投资高于分体空调。,五、地源热泵全寿命周期分析,五、地源热泵全寿命周期分析,不同电压等级变电工程的初投资,五、地源热泵全寿命周期分析,三种空调的初投资,五、地源热泵全寿命周期分析,三种空调的初投资,在地源热泵的成本中，机组和施工所占比例最大，其总和占总成本的70%以上。 机组成本主要由设备费控制，其成本降低的可能性较小，但施工费用中钻孔费用占比很大，若想控制地源热泵的造价，应首先从地埋管钻孔施工方面入手，一方面按照国家标准，对变电站建筑采取节能保温措施，从根源上降低空调负荷指标，另一方面采用调整钻孔深度、钻孔数量等措施，可有效减少钻孔规模，降低造价。,五、地源热泵全寿命周期分析,(三)年运行费用分析 地源热泵的年费用由维护费和运行费构成，根据对以运行变电站及民用建筑地源热泵运行情况调查，地源热泵系统年维修费用极低，一般不超过初投资的12%，而分体空调维护费用高达初投资额10%。 从运行费用分析，主要体现为用电消耗量，地源热泵利用地下表层能源进行换热，其能效比较高，通过对已运行变电站调查，地源热泵空调的电能耗远小于分体空调的电能耗，这也是地源热泵节能先进性的具体体现。,五、地源热泵全寿命周期分析,五、地源热泵全寿命周期分析,三种空调的年运行维护费用(万元),五、地源热泵全寿命周期分析,不同电压等级变电工程地源热泵年运行费用,(四)初投资与投资回收期关系 分析研究表明，变电工程的地源热泵空调造价约为45元/w，空调指标为150250w/m2，则折合每平米造价为800元1100元，投资回收期为68年。从地源热泵实际现状来说，初投资一般不会超过1400元/m2，此时对应的投资回收期为8年左右。下图为不同初投资时的投资回收期关系：,五、地源热泵全寿命周期分析,五、地源热泵全寿命周期分析,初投资与投资回收期的关系曲线,(五)初投资、设备总投资、维护运行费用所占比重 借助于全寿命周期分析手段，地源热泵系统20年全寿命周期分析研究结果表明，地源热泵的初投资占全寿命周期成本费用的27%，其20年总设备投资占全寿命周期成本费用的30%，运行维护费用占总成本的70%。可见，运行维护费用是全寿命周期成本的主要组成部分，从运行方面减少发生费用显得更为重要。,五、地源热泵全寿命周期分析,(六)全寿命周期成本分析 目前变电站常用的采暖及空调方式主要有空调+电暖器方式、空调+电锅炉方式、纯空调方式、地源热泵方式，其中纯空调方式主要用于夏热冬暖地区，不具可比性，结合变电工程就地源热泵空调与其他方式空调的全寿命分析，根据国内变电站空调+电暖器运行、电锅炉+电暖器及地源热泵运行情况调查结果，20年全寿命周期内运行边界条件如下：,五、地源热泵全寿命周期分析,五、地源热泵全寿命周期分析,三种空调全寿命周期成本计算,五、地源热泵全寿命周期分析,三种空调全寿命周期成本计算,五、地源热泵全寿命周期分析,方案技术经济分析比较,(七)节能减排 通过对不同电压等级变电工程的分析结果表明，地源热泵环保效益随着电压等级的提高而提高，更适合于特高压、换流站等超大型变电工程。,五、地源热泵全寿命周期分析,不同电压等级减少的碳排放量,六、推广建议,推广建议： 地源热泵系统具有良好的节能环保性能，其经济性及节能性直接与技术经济条件、地质条件、气候条件、建筑物负荷条件密切相关，只有同时满足上述四个条件，才能确保地源热泵系统高效运行，充分发挥其节能环保效果和社会经济效益。 地源热泵系统更适合大中型变电工程，如特高压交流工程、直流等工程，节能效果更为显著。 对于首次采用地源热泵技术的地区，建议进行全寿命成本分析。,六、推广建议,七、工程实例,(一)工程概况 顺德(邢台南)500kv变电站位于华北平原，河北省邢台地区，南和县贾宋乡唐庄村北，全站采暖建筑物有主控通信楼、1#500kv保护小室、2#500kv保护小室，全站总空调面积为1000 m2。 本工程地质条件为轻质粘土、致密粘土，导热系数为0.91.9 w/（mk）之间，土壤的导热系数较好。 本工程所属地区为寒冷地区。,七、工程实例,(二)适用条件分析 1.技术经济条件 系统投资 顺德变电站总投资为105万元，单位造价1050元/ m2，符合“系统初投资不宜超过1100元/ m2，不应超过1400元/ m2”的规定。 系统节能特性 本项目热泵机组能效比为5.0，系统能效比为3.5。符合 “机组修正后能效比不应低于4.5，且系统能效比不宜低于3.4”的规定。,七、工程实例,投资回收期 该项目的投资回收期为6年，满足“地源热泵投资回收期不宜超过8年，不应超过10年”条件。 冷热平衡条件 顺德工程地处华北寒冷地区，最适合地埋管地源热泵技术应用，模拟计算表明，在20年全寿命周期内，地源热泵系统的吸热量与释热量相平衡，可确保系统安全可靠运行。,七、工程实例,2.地质条件 本工程地质条件良好，土壤温度恒定，土壤传热比大，换热效率高，且无坚硬岩石及流砂情况，符合地源热泵地质条件要求，适宜应用地源热泵。 3.负荷条件 本工程空调负荷约为150kw200kw，大于50kw的下限，适宜应用地源热泵。 4.气候条件 顺德变电站位于华北地区中部，根据热工设计分区为寒冷地区，符合地源热泵气候条件要求，适宜应用地源热泵。,七、工程实例,(三)地源热泵设计 1.地源热泵机房设计 地源热泵机组 制冷工况：制冷量100kw，冷冻水供回水温度7/12，流量17.2m3/h； 制热工况：制热量115kw，热水供回水温度45/40，流量19.8m/h 进行主机、管沟、控制阀、平衡阀布置，共用一套补水系统，节省占地面积，减少造价。通过机房优化设计，顺德变电站机房尺寸8.1m4.8m，建筑面积为38.88m2。,七、工程实例,七、工程实例,机房平面布置图,2.地埋管设计 根据地埋管换热器计算结果及总平面布置，地埋管采用同程管路布置方式，采用双u管，钻孔40个，直径180mm，深度100m，回填料为10%膨润土+90%细砂混合浆。,七、工程实例,地埋管布置图,3.空调末端设计 根据建筑物特点，室内末端采用落地式明装风机盘管和立柱式风机盘管，将供回水管道置于室外埋地，可避免水系统事故时危及电气设备，系统安全可靠。,七、工程实例,七、工程实例,顺德（邢台南）主控楼一层风机盘管布置图,七、工程实例,顺德（邢台南）主控楼二层风机盘管布置图,4.经济环保效益 （1）全寿命周期成本分析 。,七、工程实例,变电站空调全寿命周期成本计算,（2）经济指标比较。 固定资产投资 地源热泵的初次投资较高，约为分体空调的3倍，但全寿命周期内地源热泵固定资产投资比分体空调仅高出19%。 年运行费用 由于地源热泵的能效比很高，年运行维护费用比分体空调节省42%。,七、工程实例,20年全