土壤耦合热泵的特点及其在廊坊市某建筑中的节能研究分析.doc

土壤耦合热泵的特点及其在廊坊市某建筑中的节能分析 作者： 日期：土壤耦合热泵的特点及其在廊坊市某建筑中的节能分析北京建筑工程学院 李霄 李德英 李震 摘要：本文针对节能减排的当前形势，介绍了土壤耦合热泵的原理及其优缺点，通过对在廊坊某建筑中的土壤耦合热泵和其周边同类建筑的运行费用的对比，对其经济性及节能性进行了分析,提出了地源热泵使用的可行性。关键词：地源热泵 热响应实验 GLD软件Characteristics of ground-coupled heat pump and energy saving analysis in a building of Lang fang Beijing university of civil engineering and architecture Li Xiao Li Deying Li Zhen Abstract：This article describes energy saving and emission reduction for the current situation，and the principle of ground-coupled heat pump and its advantages as well as disadvantages， through a building in the ground-coupled heat pump and its similar surrounding buildings contrast of operating costs in Lang fang, Finally,it reach the analsis of economy and energy-saving and present the feasibility of using ground source heat pump. Keywords: ground Source Heat Pump thermal response test GLD Software1引言在现今的世界，节能已成为世界发展的一大问题，而对于中国，节能尤其重要。按照预定的经济发展目标，到2020年中国将全面实现小康，达到中等发达国家水平，人均GDP达到10000美元。从其他发达国家的发展历程来看，GDP达到10000美元时是人均标准油4t/a，折合标准煤5.6t/a。这样，到2020年我国人口达到15亿，将需要标准油60亿t，折合标准煤84亿t,这是一个无论如何也达不到的目标【1】。在刚刚举行完的哥本哈根会议中，中国承诺延缓二氧化碳的排放，既到2020年中国单位国内生产总值（GDP）二氧化碳排放比2005年下降40%-45%。而在国内总能耗中，有1/3是建筑能耗，而在现有建筑中，90%多是高能耗建筑，这就体现了建筑节能的重要性。建筑节能的首要目标是科学用能，其具体措施主要是指科学使用能源、科学配置能源和科学管理能源，而热泵这种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置正是科学配置能源的典型实例。地源热泵是一种通过少量的高位能（如电），实现从浅层地能（土壤热能、地下水中的低位热能和地表水中的低位热能）向高位热能转移的热泵空调系统【2-5】。地源热泵可分为地下水热泵、地表水热泵以及土壤耦合热泵。因为地下水热泵、地表水热泵等水源热泵受地区水资源、水利政策等限制，所以土壤耦合热泵的优点就更加突出。2土壤耦合热泵的特点2.1 土壤耦合热泵的原理图1给出典型地源热泵土壤耦合热泵的系统示意图，以说明土壤耦合热泵的组成与工作原理。 图1 典型土壤耦合热泵系统示意图1-地源热泵机组 2-冷冻水循环水泵 3-冷却水循环水泵 4-电子水处理仪 5-空调侧集水器6-空调侧分水器 7-地埋换热器侧分水器 8-地埋换热器侧集水器 9-补水箱10-补水泵 11-软水器 12-定压罐 13-风机盘管 14-地板辐射 15-地埋换热器从图中可以看出此系统主要由四部分组成：浅层地能采集系统、地源热泵机组、室内采暖空调系统和控制系统。而其工作原理为：冬季，V2、V4、V6、V8开启，V1、V3、V5、V7关闭。通过中间介质的循环，与土壤进行换热，从而从土壤中吸取低品位的热量，并输送到地源热泵机组的蒸发器中，通过热泵技术将其低品味热能提高品味，对建筑物供暖，同时蓄存冷量，以备夏天使用；夏天，阀门开启与热量提取则相反。2.2土壤耦合热泵的优缺点2.2.1优点（1）土壤温度全年波动较小且数值相对稳定，热泵机组的季节性能系数具有恒温热源热泵的特性，这种温度特性使土壤耦合热泵比传统的空调运行效率要高40%-60%【5-6】。（2）地下埋管换热器在地下吸热与放热，减少了空调系统对地面空气的热、噪声污染。同时，与空气源热泵相比，相对减少了40%以上的污染物排放量。与电供暖相比，相对减少了70%以上的污染物排放量【7】。（3）运行费用低。据世界环境保护组织（EPA）估计，设计安装良好的地源热泵体统平均来说，可以节省30%-40%的供热制冷空调的费用【8】。2.2.2缺点（1）地下埋管换热器的供热性能受土壤性质的影响较大，长期运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的影响而发生波动。（2）地下埋管换热器的换热性能受土壤的热物性参数的影响较大。计算表明，传递相同的热量所需传热管管长在潮湿土壤中为干燥土壤中的1/3，在胶状土中仅为它的1/10【9】。（3）出投资较高。仅地下换热器的投资约占系统投资的20%-30%【10-11】。3工程案例3.1工程概况本项目位于廊坊市，建筑性质为办公、客房及娱乐中心。总建筑面积约为6.5万平方米。其中客房面积约2.5万平方米；娱乐中心2.5万平方米；办公楼建筑面积2万平方米。本工程采用地源热泵系统作为该建筑的空调冷热源及提供生活热水。3.2地埋管系统设计通过热响应实验，获取地下岩土的构造、热物性、岩土含水情况、初始温度等，并进一步利用热响应实验测试软件得出设计地下换热器系统所需的岩土导热系数，为论证地下是否适合进行土壤热泵系统设计提供参考，并为进行地下换热器系统设计提供确切的数值依据。3.2.1热响应实验原理过去几年里，地热能源的利用得到稳定发展，精确的地下热参数对于地热系统来说是至关重要的。本次采用的热响应试验软件是在传热理论、流体理论与国外大量典型工程数据相结合的基础上开发出来的。热响应试验对于正确设计地下换热器系统是非常重要的，其主要优点在于，与常规的在试验室中测得的结果相比，它是直接在地下钻孔换热器中进行测量的，综合考虑了地下各层不同岩土层的热物性和导热系数及打孔深度内的其他影响因素，其得出的数值更确切，对于设计地下换热器系统来说更具有价值。3.2.2热响应试验系统组成整个系统是由四部分组成：地下埋管换热系统，加热系统，数据采集装置系统，数据输出、数据分析软件系统。数据采集装置与地下换热器相连接形成封闭的热循环系统，通过内部温度传感器、电加热器、及循环水系统等组成；数据输出是通过专用程序软件，将采集到的数据以特殊的格式存储在控制柜中的电脑里，也可转移到其他计算机中；可通过GLD软件对采集到的数据进行分析，得到我们需要的数据如大地在埋管深度内的平均导热系数。测试设备结构示意图如图2所示：图2 测试设备结构图热响应实验原理图如图3所示：图3 热响应实验原理图3.2.3测试步骤采用上图所示设备对钻孔进行测试，由温度调节模块根据电加热器出口温度控制电加热器功率，模拟夏季出水温度。测试步骤如下：1) 钻测试孔并回填，统计出钻孔深度、孔径、埋管管径、回填材料物理性质，同时收集任何可以得到的当地地理资料。将地埋管回路充满水。2) 对任何露出的管路部分进行保温，包括PE埋管的露出部分和在测试设备中的连接管道。3) 连接测试设备与地埋管回路，并将整个系统充满水。4) 按照相关标准对系统进行清洗，可先清洗管路部分，后设备部分，也可以同时进行。推荐每部分管路至少清洗15分钟。 5) 系统清洗完成后，关闭所有的进水以及排水口，使整个系统成为闭式回路。值得注意的是，在清洗过程中，系统水温度可能会有轻微的上升（因为水泵的温升），如果时间允许，应等循环水温度重新降到土壤初始温度再开始测试。6) 开始数据采集。为了保证最初的温度变化和加热量被采集到，应该在水泵开始运行以及加热器开始运行前启动测试系统，测试时间不少于24小时。7) 启动循环水泵和电加热器。测试开始后，需要对系统进行调整，以保证系统提供我们需要的流量，保证希望的温差。8) 测试结束后，先关电加热器再关闭循环水泵，最后在关闭测试系统。9） 断开环路部分和测试设备的连接，并将管路两端密封，一定要排干系统中所有水，特别是在严寒季节。3.3空调系统设计空调冷热负荷为：冷负荷6000kW；热负荷4800kW。室内设计参数:夏季：室内空气温度：tn=25-27； 室内空气相对湿度：=55%-65%.室内空气平均流速:0.3 m/s.冬季：室内空气温度：tn=17-19； 室内空气平均流速:0.3 m/s.根据空调负荷选择主机如下：选用四台SGHP2000M地源热泵机组，总制冷量为6500kW，总制热量为5712kW，作为中央空调系统的主机，机组夏季制冷，冬季制热。机组可根据冷、热负荷自动调节，以达到节能的目的。单台机组参数见表1：表1 地源热泵机组参数表机组型号运行工况冷冻水冷却水制冷（热）量（kw）输入功率（kw）初温（）终温（）水量（t/h）初温（）终温（）水量（t/h）SGHP2000M制冷71227825303281625278制热-2.6032844.3402781428386参考已往的工程经验，以及廊坊高新开发区水文地质资料，我们初步确定以下数据:1、土壤浅层冬、夏季土壤平均温度在15左右。 2、当地地层大部分为砂粘土，地下含水丰富，土壤导热系数约为2.2W/m.，井孔换热量约为80W/m。将以下参数土壤平均温度、土壤导热系数、地下单U管埋管方式、空调负荷，地埋管流量输入专业地下环路设计软件GLD，计算后得出地埋孔数量为 889个，孔深100米。最不利工况所需要地埋管数量计算如下：垂直地埋管换热器：室外换热器采用双U型垂直地埋管换热器。管井深100m，按制冷工况每米管井换热量80W计，制热工况换热量为60W。4台SGHP2000M地源热泵中央空调机组。制冷换热量Q6000kW+278kW47112kW管井数量：7112kW(100m80W)889口制热换热量Q4800kW-386kW43256kW管井数量：3256kW(100m60W)543口表2 空调主要设备表序号设备名称设备型号设备参数数量单位1地源热泵机组SGHP2000MQL=1625kw，N=278kw，QR=1428kw，N=386kw，M=8400kg4台2空调水一次泵DFG200-315(I)B/4/37G=339m3/h，H=23.5m,N=37kw，n=1450rpm4台3空调水二次泵DFG200-250(I)/4/30G=400m3/h，H=20m,N=30kw，n=1450rpm4台4地源水循环泵DFG200-315(I)A/4/45G=368m3/h，H=27.5m,N=45kw，n=1450rpm4台5电子水处理仪FCG-C8DN450,240W2台6定压补水泵BDL3-130G=2.44.7m3/h，H=46.262.4m,N=2.2kw2台7定压罐RSN1000V=1.4m3,Vt=0.49m31台8补水箱2000x2000x1500(h)1台9地源侧分水器D=600mm.L=4000mm6台10空调水集分水器D=900mm.L=4500mm2台3.4生活热水系统设计计算数据：客房278套，500人；游泳池450m3。经计算换热量为1273.92kW。选用一台SGHP1600M地源热泵机组提供生活热水，机组参数见表3。表3 地源热泵机组参数表机组型号运行工况水源侧用户侧制冷（热）量（kw）输入功率（kw）初温（）终温（）水量（t/h）初温（）终温（）水量（t/h）SGHP1600M制热91627955452791152306Q1274kW386kW888kW管井数量：888kW(100m60W)148口空调和生活热水夏季所需室外换热管井数为889口空调和生活热水冬季所需室外换热管井数为543+148691口综上，所需室外换热管井数为889口表4 生活热水主要设备表序号设备名称设备型号设备参数数量单位1地源热泵机组SGHP1600MQr=1152kw，N=306kw，M=8010kg1台2热媒水循环泵FLGR200-315AG=246m3/h，H=31m,N=55kw，n=2900rpm2台3生活热水给水泵FLGR80-200AG=51m3/h，H=40m,N=11kw，n=2900rpm2台4地源水循环泵DFG200-315(I)A/4/45G=368m3/h，H=27.5m,N=45kw，n=1450rpm1台5热水箱5000x3000x3500(H),50T1台6电子水处理仪FCG-C1DN100,100W1台3.5 室外地埋管布置方案按照孔间距4.5m计算，地埋管总占地面积约2万平方米。根据小区建筑规划平面图本方案地埋管换热器布置在本建筑绿化带、景观和停车场下。地埋管需在绿化带、景观和停车场施工前铺设。实际布置894孔。3.6空调系统运行费用空调系统运行费用见表5。表5 空调的运行费用表设备名称运行季节设备总功率（kw）运行时间（天）时间百分数负荷百分数用电量（kwh）总用电量（kwh）运行费用（元）地源热泵冬季15441201090200102.4989395593637.124045400204.85035389088夏季11121201090148780.8735638441383.044045297561.65035289296水泵冬季450.2120100100648288648288388972.8夏季450.2120100100648288648288388972.8冬季总运行费用（万元）98.26 单位面积运行费用（元/m2）15.12 夏季总运行费用（万元）83.04 单位面积运行费用（元/m2）12.77 全年总运行费用（万元）181.30 单位面积运行费用（元/m2）27.89 表6 周边同类型建筑空调的运行费用表设备名称运行季节设备总功率（kw）运行时间（天）时间百分数负荷百分数用电量（kwh）总用电量（kwh）运行费用（元）夏季冷水机组夏季11221201290174493.44840153.6504092.1611221204055355449.611221204840310210.56水泵夏季420120100100604800604800362880集中供热运行费用（万元）100.00 单位面积运行费用（元/m2）20夏季总运行费用（万元）86.70 单位面积运行费用（元/m2）17.34 全年总运行费用（万元）186.70 单位面积运行费用（元/m2）37.34 4小结进入21世纪以来，土壤耦合热泵的研究工作和工程实践飞速发展，因为土壤具有良好的蓄热性能，温度全年波动较小且数值相对稳定等特点，使得热泵的运行更加稳定，更加可靠。与传统的制冷、制热设备相比较，地源热泵具有效率高，节约能源，不污染环境，节省传统设备的占地空间等优点。通过以上表格计算，可得本工程所采用的地源热泵空调系统单位面积运行费用较周边传统类型空调系统节能25.3%，由于地源热泵具有非常好的经济性与节能环保性，所以在提倡节能减排的今天，地源热泵系统具有很好的发展空间。参考文献【1】 韩晓平.科学用能应对能源的挑战J.电力需求侧管理，2005（1）：22-25【2】