混合式地源热泵系统在合肥某工程中的设计分析.doc

混合式地源热泵系统在合肥某工程中的设计分析合肥市热力工程设计院 陈洁.叶倩摘要：近年来，地源热泵技术在国内外已得到越来越多的应用，我国在2000-2015年新能源和可再生能源产业发展规划要点等多部法规中都明确提出要推广使用热泵技术，合肥市对这项新技术也积极地进行了推进。本文针对合肥气候及地质特点从设计角度分析了“混合式地源热泵系统”在本地域的应用前景。关键词：混合式地源热泵 设计 应用 1 前言地源热泵热平衡问题是地源热泵系统的隐患，但是可以通过事先系统的合理设计、优良的施工质量以及规范化的运行管理进行规避。本文从设计的角度，综合现场条件及测试数据，对冬夏季节的冷热不平衡率进行系统分析，阐述了“混合式地源热泵系统”的优势及前景。2 项目背景2.1 建筑概况该项目位于合肥市，总占地面积为3504m2，建筑功能为办公。本工程总建筑面积为36250m2,其中空调面积为29790m2左右，建筑地上27层，地下3层，建筑高度99.4米。大楼夏季设计负荷为3260kW，冬季设计负荷为2030kW。2.2 地下换热孔换热量测试2.2.1 地下换热孔的钻井深度在钻孔的过程中，每隔一定深度采集地质样品，分析地质成分，为回填料的配置提供依据。根据现场勘查的结果，地质情况如下： 层序深度（m）土名08粘土817粉质粘土1721强风化（夹砾石）2139中风化岩3943强风化岩4356中风化岩5665强风化岩65m 以下为岩石层。从本次测试的钻孔过程中可以看出，1765m 内为风化岩，钻井难度适中，其中有 3m 的夹砾石层，钻井难度增大，在65m以下为岩石层，钻井难度较大及费用较高，综合考虑换热孔的钻井难度、换热孔的占地面积及水平联络管的施工费用，本项目土壤换热器换热孔的设计深度推荐为65m。 2.2.2 试验井数据 实验井1#2#形式W型并联双U垂直井深(m）5663垂直管全长(m）224252回填材料下部含6%膨润土的原浆，回填方式采用底部压浆上部15m采用黄沙手工回填安装方法机械自重下管井口直径(mm)130PE管外径(mm)2525内径(mm)20.420.4连接管供水管段(m)46回水管段(m)46连接管全长(m)812保温材料20mm厚橡塑保温材料2.2.3 测试数据分析 W 型埋管与并联双U 两种埋管方式的变化曲线一致，经计算夏季以及冬季W 型埋管换热量均略大，但W 型埋管受流量限制，一般只在钻井深度较浅情况下采用。 2.2.4 换热孔测试情况汇总(参数取值为温度基本稳定后) 夏季工况:换热孔单位1#2#钻孔深度m5663下管深度m5663埋管形式W型并联双U填料下部含6%膨润土的原浆，回填方式采用底部压浆；上部15m采用黄沙手工回填。流量m3/h0.801.2进水温度3636回水温度32.333.4平均地温17.917.9换热量kW3.443.63排热量w/m61.557.6 冬季工况:换热孔单位1#2#钻孔深度m5663下管深度m5663埋管形式W型并联双U填料下部含6%膨润土的原浆，回填方式采用底部压浆；上部15m采用黄沙手工回填。流量m3/h0.801.2进水温度55回水温度8.17.4换热量kW3.352.89排热量W/m53.251.52.2.5 土壤换热器换热量本项目岩土层的原始温度为 17.9适中，适宜采用土壤源热泵技术。土壤换热器进水温度夏季 36；冬季运行温度在 5。为了对比，测试中土壤换热器采用并联双U 型埋管与W 型两种埋管方式。根据实测数据，本项目建议采用并联双U 埋管形式，设计指标为夏季散热量60 W/m，冬季取热量50 W/m。在钻井难度较大，埋管深度低于 55m 可采用W 型埋管，其单位沿长换热量的设计指标和并联双U 取值一致。在土壤源热泵系统实际运行中，在尖峰负荷时，地埋管的进水温度可适当提高，埋管排热能力提高，可满足建筑排热要求，由于建筑尖峰负荷的时间很短，夏季埋管高进水温度出现的时间很短。3 土壤热平衡3.1 土壤热平衡对系统的影响土壤热平衡是关系到系统是否能够长期安全稳定运行的一个关键性因素，本项目总冷负荷大于总热负荷，又因为制冷工况运行时间大于制热运行时间，以至于放热量远远大于取热量，长期运行后，地下土壤 /岩石温度将逐渐上升（术语称为：热堆积），那么，制冷工况下的放热功率会呈现衰减趋势，系统制冷工况的出力势必会越来越小，当地下温度上升到一定程度时，系统便无法运行，并且，本项目占地面积仅3504 m2，按实测换热孔换热量来计算，完全依靠土壤换热器不能满足其冬季负荷。因此完全采用土壤热泵系统供冷供热不能满足长期运行的需要，需有其他辅助的方式来进行调节，才能保证系统的长期稳定运行。3.2 土壤热平衡解决措施本方案采用混合型冷热源，土壤换热器满足冬季一部分负荷，还有不足部分由市政热力管网提供；夏季一部分负荷由土壤换热器满足，另一部分负荷采用冷却塔进行辅助冷却保持土壤热平衡。3.3 系统设计说明本工程设计的系统主要由地下埋管换热系统、城市集中供热管网辅助加热系统及冷却塔辅助散热系统三部分组成。该混合系统的工作原理是冬季利用埋地盘管从土壤中取热以及以城市集中供热管网蒸汽为热源经过板式换热器提温后向房间供热；夏季室内余热的排除由埋地盘管向土壤中放热与冷却塔的散热来共同承担，根据监测的土壤温度来切换散热系统，实现全年埋地盘管从土壤中的取热量与向土壤中的排热量的大致平衡。4 辅助加热设备及辅助散热设备主要参数计算4.1 冷却塔计算埋管可满足夏季的空调制冷负荷为：877.5kW；需要冷却塔满足不足部分，即：2332.5kW；冷却塔散热量约为 2800kW；设计冷却效率较高的开式冷却塔，共需冷却水量 480m3/h。因此，设计两台250 m3/h 冷却塔，在夏季高峰负荷时开启对应其中两台制冷主机，或在平时运行，控制地下土壤热平衡，具体运行方式需根据实际制冷主机，或在平时运行，控制地下土壤热平衡，具体运行方式需根据实际的运行工况作调节。4.2 热力管网计算埋管可满足冬季的空调制热负荷为：585kW；需要热力管网满足不足部分，即：1445kW；热力管网需热量约为1445kW，考虑90%热效率，需热量约为1600kW。因此，设计城市热力管网提供0.6MPa的饱和蒸汽压力，在平时运行。5 主要技术优点5.1 占地面积小、节省初投资 地源热泵系统初投资的大小主要取决于地下部分。合肥地区属于夏热冬冷地区，若不采用辅助散热设备以及辅助加热设备而采用单独的地源热泵系统，则其地下埋管的设计长度过长，占地面积也较大，初投资增高；另一方面会造成埋管在土壤中取热量和排热量的不平衡，使得热泵长期运行性能恶化。冷却塔城市集中供热管网地源热泵系统则可避免这一问题，它是冬季部分热负荷由城市集中供热管网满足，夏季多余的散热量通过辅助散热装置冷却塔来完成，从而大大减小埋管长度及孔域面积，降低其初投资。5.2 运行费用低、节能效果显著 由于冷却塔城市集中供热管网地源热泵系统采用了辅助散热设备以及辅助加热设备，可实现土壤内部取热量和排热量的基本平衡，从而消除了地下土壤热堆积造成的温升。与单独地源热泵系统相比，它可以降低夏季空调时热泵冷却水进口的温度，在室内侧蒸发温度一定的条件下，减小了冷凝温度与蒸发温度的温差，从而提高了热泵机组的性能系数及其运行效率，达到节能目的。尽管冷却塔在运行的过程中也会消耗一定的电能(风扇与循环水泵能耗)，但这部分费用相对于其所节省的运行费用来说要小得多，因此从总体效果上来看，该混合系统具有明显的节能效果。6 结束语地源热泵中央空调在资源日益紧张、环境污染日益严重的今天，以其高效、节能、环保等显著特点在工程应用中取得了良好的社会效益和经济效益。合肥属于夏热冬冷地区，该项目建设方准备采用地源热泵集中式中央空调以打造高舒适度、低能耗办公的环境，待其建成后运行的经济性分析将为混合式地源热泵系统在合肥今后的设计及运行方案提供更多的宝贵经验。 参考文献1 ASHRAE. ASHRAE handbook-Systems and equipment M. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Inc. 1996.2 Kavanaugh, S.P. A design method for hybrid ground-source heat