地缘热泵方案8.12

PAGEPAGE1哈尔滨卷烟厂易地搬迁项目地源热泵系统初步设计方案及经济运行分析哈工大——龙冶新能源研究应用中心2010-8-12前言1、浅层地热是清洁能源地表浅层地热资源可以称之为地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温低位热能。地表浅层是一个巨大的储能器，经过太阳能及地心能在较长时间的平衡，使地球浅层形成一个随地域变化而温度变化的恒温层。它真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层的清洁能源可以近似的看做可再生能源的一种形式。2、地源热泵系统是是高效的节能技术地源热泵是利用浅层地热的蓄能特点进行供热、制冷的新型能源利用技术。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。地源热泵是利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力,冬季地源系统把热量从地下土壤中转移到建筑物内,夏季再把地下的冷量转移到建筑物内,一个年度形成一个冷热循环。地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。3、地热供暖环境效益显著地源热泵系统由于利用浅层土壤的储能特性进行制冷或供暖，即夏季提取土壤中的冷量并向地下排放热量，冬季提取土壤中的热量并向地下排放冷量，无燃烧，故无排放物，无污染物，无废弃物。4、一机多用，应用范围广地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统，适合于无集中供热区域的冬季供暖和夏季制冷。同时一套系统也减少了两套系统的系统维修维护风险和费用。一、工程概况本工程为黑龙江烟草工业有限责任公司"十一·五”哈尔滨卷烟厂易地搬迁项目，位于黑龙江省哈尔滨市松北区，拟采用太阳能-地源热泵系统环境系统为建筑物提供冬季供暖和夏季制冷，拟采用的部分为：附房15000m2，生产管理用房及技术研发中心19844m2，后勤保障设施5623m2，共40467m2。确定开口大小和打井深度，在井内安装能量提升设备，提取井水经换热器提取能量后回灌到回灌井中，地下水无浪费、无污染。2、能量采集部分能量采集系统是地源热泵系统的重要组成部分，它是能量提升系统能否安全、稳定、可靠、经济运行的根本保证。经对本项目的研究和哈尔滨市对地下水资源管理的相关规定，本地源热泵系统能量采集部分初步决定采用竖埋管式地埋管。（1）采用竖埋管热泵系统的特点：A系统稳定，无需定时检修；B不需要直接提取地下水和利用地下水的水量，不会对本地区地下水的平衡和地下水的品质造成影响，不受地下水使用政策和季节变化的影响，无地下水资源费；C初投资相对较大。(2)竖孔孔径及数量确定经初步估算，本项目地埋管孔径及数量确定如下：本工程共需设置竖孔570个，竖孔采用双U型管结构，井孔深为120m，竖埋孔数量根据具体项目的现场情况进行校核调整。（3）钻机选择根据钻机的泥浆循环方式钻机可分为：正循环钻机和反循环钻机。正循环钻机和反循环钻机，都是通过钻井液(泥浆)的循环进行保护钻井井壁和出渣的，即通过钻井液(泥浆)的循环，把钻孔里的钻渣带出来，它们在钻进成孔的工艺上是相同的，适用的地层也基本相同。不同的就是钻井液(泥浆)的循环方式。正循环钻机的钻井液(泥浆)是由泥浆泵从泥浆池里抽到钻杆里，通过钻杆不断的输送到钻井里，然后从钻井井口自然的排出来，同时把钻渣带出到地面上来。由于它是靠钻井液(泥浆)的自然循环方式排渣，所以循环能力和排渣能力都比较弱，只能排出一部分钻渣，而且颗粒比较大的钻渣也不能排出来，钻井里残留的钻渣比较多，影响了钻进速度，钻具的磨损也比较大。

反循环钻机的钻井液(泥浆)的循环方式则正好相反，它的钻井液是用泥浆泵从钻井的井口(钻杆外面)向钻井里输送，再用压缩空气或泥浆泵，从钻杆的中间抽出来，所以循环能力和排渣能力都比较强，不但排渣比较干净，而且颗粒比较大的钻渣也能排出来，像鸡蛋大的钻渣都能排出来。根据项目所在地的地质情况，地下结构复杂，部分地层为泥岩，泥岩为灰色泥岩，硬度较大，钻井比较困难，成井时间较长。当采用正循环钻机钻井采用泥浆护壁时，需调泥浆稠度相对偏高，为保证灌浆的质量需将竖埋孔内的泥浆冲出，当冲出泥浆时，压力过大，容易造成砂层塌方；如不将泥浆冲出，则泥浆稠度偏高会灌浆困难，需长时间沉淀，反复灌浆，灌浆质量得不到保障，同时对封住隔水层的效果产生影响，基于以上原因不使用正循环钻机。根据本项目特点采用反循环钻机钻孔，反循环钻机为清水钻，成井工艺决定了竖埋孔内没有正循环产生的泥浆稠度偏高的问题，可直接进行灌浆，灌浆速度快，密实度好，并能保证封住隔水层，保证竖埋孔的换热效果（4）孔内回填回填工艺是回填效果好坏的重要环节，强化换热型回填材料可以大幅度提高钻井换热器的换热能力，钻井的换热能力随着回填材料导热率的增加而不断提高，但回填材料导热率并非越高越好，而是应该接近且稍高于钻井周围岩土层的导热率。地埋管的回填材料及回填效果对地埋管的使用效果有着重要的影响，故地埋管回填后需要一个沉淀期，达到一定的密实度。建议地埋管的施工要提前，可以和建筑物的基础工程同时进行，以保证地埋管的技术要求。（5）经过现场踏查，建设区域自然地坪不平整，并需回填，考虑到科学施工、节约成本的原则，建议在场地回填前钻孔。3、地埋管部分热平衡问题的解决措施哈尔滨属于严寒地区，冬季寒冷漫长，土壤平均温度在8°C左右，冬季供暖时间长，机组从地下土壤中取得热量多，而夏季空调时间短，机组向地下排放的热量偏少，长期运行，土壤温度会逐年下降；冬夏负荷的不平衡对土壤温度场恢复是极为不利的，长期运行后若土壤温度过低，将严重影响土壤源热泵系统的性能，机组效率会逐年降低,因此对于严寒地区的土壤源热泵系统，应重点考虑长期运行后土壤温度场的变化情况。措施（1）：引入太阳能季节蓄热解决平衡由于本工程需要部分热水供应，可使用清洁能源太阳能热水供应。由于太阳能集热量随季节变化而变化，夏季产热量多，而冬季产热量少。为此，将传统的土壤源热泵系统和太阳能集热系统相结合，收集非采暖季节的太阳能或空气中的热能，并通过土壤换热器储存到自然的土壤中，冬季再利用热泵将热量提取出来为建筑物供暖。这种季节性的土壤蓄热，不仅可以恢复和提高土壤温度，而且还能将非采暖季节丰富的太阳能转移到冬季使用，有效的增加了太阳能作为可再生能源热利用的范围，土壤温度场能够得到及时恢复，从而使热泵运行稳定，有效提高热泵供暖的COP。原理图如下：辐射地板辐射地板Ⅳ供暖房间太阳能集热器膨胀水箱ⅦI土壤换热器ⅡⅢ热泵机组P1P3P2板式换热器1234567891213141011151617181920阀门调速水泵温度测点压力表集气罐定压水箱夏季空调措施（2）：引入空气中的能量季节蓄热解决平衡根据甲方提供的资料，本项目二期工程中由于通风空调系统中使用新风较多，夏天空调负荷较大，可考虑将这部分热量释放到地下储存，以平衡冬季向地下释放的冷量，保证系统的长期有效运行。原理图如下：（3）能量提升系统依据上述冷热负荷及地源热泵系统技术参数，机房主要配置如下表。序号设备名称设备参数（单台）数量电功率（kW）备注1能量提升器Qr=973kWQl=942kW2Qr=208kWQL=176kW主机2末端循环泵Q=360m3/hH=32m155kW3二次循环泵Q=360m3/hH=16m122kW4一次循环泵Q=360m3/hH=32m155kW5板式换热器BR80-14016全自动软水器3.0~4.0m3/h17补水箱2600*2200*20001V=8m38定压罐DN80019补水泵Q=3.2m3/hH=32m12.2机组向末端提供50/45℃的热水，根据需要可设备用机组一台。（4）能量释放系统供暖时热泵的出水温度在45℃左右，考虑到系统运行效率和用户运行费用，建筑物的末端形式多采用地板采暖方式，且对地板采暖的单个环路长度和平衡有相应要求。夏季需要空调的房间也可采用风机盘管加新风系统。五、生活热水按建筑物要求可提供生活热水，可根据生活热水量进行计算，可由太阳能集热器或热泵单独提供，也可由二者联合提供，生活热水部分的设计，需在详细数据计算后补充。六、太阳能集热装置及空气换热装置为满足地下埋管周围季节性热平衡，非采暖季需要季节性蓄热，此部分可采用太阳能集热装置或空气/水换热装置蓄热，具体可结合热水供应、冷热负荷动态特点及二期空调负荷的特点进行设计等，以上能量提升系统未包含此部分。需在了解具体特征及详细数据之后进行。六、经济运行分析本项目的冬季热负荷为1821kW，夏季冷负荷为1619kW。1、冬季供暖经济分析：1）供暖热负荷Qr=1821kw2）采暖天数：179天日工作24小时3）能量提升器消耗的电能：Ny1=1089.6×103kw﹒h/年4）能量采集、释放消耗的电能：（补水泵间歇运行，且用电量不大，忽略不记）Ny2=179×24×132×0.585=331.74×10³kw﹒h/年5）年总电能消耗量：N=Ny1＋Ny2=1421.34×10³kw﹒h/年6）折合每平方米采暖用电量E=1421.34×10³/40000=35.53kw﹒h/m²采暖季7）电费：当采用民用每度电价为SP1=0.51，则采暖部分折合每平方米每个采暖季的用电费用：S1=SP1﹒E=0.51×35.53=18.12元/m²采暖季（民用电）当采用工业每度电价为SP1=1，则采暖部分折合每平方米每个采暖季的用电费用：S1’=SP1﹒E=1×35.53=35.53元/m²采暖季（工业电）8）每年采暖总：18.12×40000=72.49万元每年采暖总：35.53×40000=142.12万元2、夏季制冷经济分析1）供冷总负荷：Q1=1619kw2）制冷天数60天日工作8小时3）能量提升消耗的电能：Ny1=108.24×10³kw﹒h/年4）能量采集、释放消耗的电能：Ny2=60×8×132×0.585=37.07×10³kw﹒h/年5）总电能消耗量：Ny=Ny1＋Ny2=145.31×10³kw﹒h/年6）折合每平方米制冷用电量E=145.31×10³/40000=3.