地源热泵技术与建筑节能浅析

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地源热泵技术与建筑节能浅析-建筑节能课程作业 序言随着经济的发展和人民牛活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调己成为普遍的需求。地源热泵是一种利用地下浅层地热资源(也称地能，包抵地下水、土壤或地表水等)的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输人少量的高品位能源(如电能)，实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖;夏季,把室内的热量取岀來，释放到地能中去。地源热泵是能有效节省能源、减少大气污染和二氧化碳排放的供热和空调新技术。可以预见，该项技术将会成为21世纪最有效的供热和制冷空调技术。关键字：地源热泵，建筑节能，可持续发展一.地源热泵系统介绍地源热泵空调系统是一种利用含有大量能源的土壤(地下水)作为吸热或排热的热交换器,实现空气调节的系统，被称Z为二十一世纪的“绿色节能空调技术”。热泵原理与组成热泵(制冷机)是通过做功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。建筑的空调系统一可以省去锅炉和锅炉房，不但节省了初投资，而且全年仅采用电力这种清洁能源，大大减轻了供暖造成的大气污染问题。热泵空调系统通常由制冷剂环路、室内环路和低温热源换热环路等环路组成。有的还设有加热生活热水的环路。不同类型的热泵，其制冷剂环路和室内环路慕本相同，但其低温热源换热环路各有不同。如分体空调的室外机是空气源热泵的低温热源换热环路，而地热换热器则是地源热泵的低温热源换热环路。国家规范GB50366-2005《地源热泵系统工程技术规范》対地源热泵的具体定义为：以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的空调系统。生港仪水二.地源热泵的分类及技术分析就其性质來分，国外的文献通常把热泵分为空气源热泵(airsourceheatPumP,ASHP)和地源热泵(groundsourceheatPumP,GSHP)两大类。地源热泵乂可进一步分为地表水热泵(surface-waterheatPumP,SWHP)>地下水热泵(groundwaterheatPumP,GWHP)和地下祸合热泵(ground-coupledHeatPumP,GCHP)o 地源热泵系统的分类地源热泵系统地衣水源热象冷却塔补偿兀土壊原站泵太阳能辅助式土壊操热泵2・1地下水热泵地下水源热泵系统的热源是从水井或废弃的矿井屮抽取的地下水。经过换热的地下水可以排人地表水系统，但对于较大的应用项冃通常要求通过回灌井把地下水回灌到原来的地下水层。水质良好的地下水可直接进人热泵换热,这样的系统称为开式环路。实际工程中更多采用闭式环路的热泵循环水系统，即采用板式换热器把地下水和通过热泵的循环水分隔开,以防止地下水中的泥沙和腐蚀性朵质对热泵的影响。山于地下水温常年棊本恒定，夏季比室外空气温度低，冬季比室外空气温度高,H具有较大的热容量，因此地下水热泵系统的效率比空气源热泵高,COP值一般在3—4.5,并且不存在结霜等问题。最近几年地下水源热泵系统在我国得到了迅速发展。A、开式系统B、闭式系统但是，地下水热泵系统的应用也受到许多条件的限制。首先，这种系统需耍有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。按常规计算,10,000nf的空调面积需要的地下水量约为120mVhro地下水热泵系统的经济性还与地下水层的深度有很大的关系。如果地下水位较低，不仅成井的费用增加,运行中水泵的耗电将大大降低系统的效率。此外，虽然理论上抽取的地下水将回灌到地卜•水层，但目前国内地下水回灌技术还不成熟，在很多地质条件下回灌的速度大大低于抽水的速度，从地下抽岀来的水经过换热器后很难再被全部回灌到含水层内，造成地下水资源的流失。再者，即使能够把抽取的地下水全部回灌,怎样保证地下水层不受污染也是一个棘手问题。2.2地表水热泵地表水热泵系统的一个热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大体量自然水体的地方利用这些口然水体作为热泵的低温热源是值得考虑的一种空调热泵的型式。热泵与地 表水的换热可采用开式循环或闭路循环的形式C开式循环是用水泵抽取地表水在换热器中与热泵的循坏液换热后再排人水体。共缺点是水质较羞时在换热器中产生污垢，影响传热,共至影响系统的正常运行。更常用的地表水热泵系统采用闭路循环，即把多组塑料盘管沉人水体屮，热泵的循环液通过盘管与水体换热，可以避免水质不良引起的污垢和腐蚀间题。当然，这种地表水热泵系统也受到自然条件的限制。A、闭式系统B、开式系统此外,山于地表水温度受气候的影响较大，与空气源热泵类似，当环境温度越低时热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也会降低。一定的地表水体能够承的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因数有关，需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热对水体中生态环境的影响有时也需要预先加以考虑。深水湖在夏季会产生温度的分层，湖底保持较低的温度;冬季湖面结冰后会限制湖水温度的下降。2.3地下藕合热泵地下稠合热泵系统是利用地下岩土中热量的闭路循环的地源热泵系统。通常称之为“闭路地源热泵”，以区别于地下水热泵系统，或直接称为“地源热泵”。它通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。地下藕合热泵系统在结构上的特点是冇一个山地下埋管组成的地热换热器（geothermalheatexchanger或groundheatexchanger）o地热换热器的设里形式主要有水平埋管和竖直埋管两种。水平埋管形式是在地面开I一2米深的沟,每个沟中埋设2、4或6根塑料管。竖直埋管的形式是在地层中钻直径为0.1一0.15米的钻孔,在钻孔中设置I组（2根）或2组（4根）U型管并用灌井材料填实。钻孔的深度通常为40-200米。现场可用的地表面积是选择地热换热器形式的决定性因素。竖直埋管的地热换热器可以比水平埋管节省很多土地面积，因此更适合中国地少人多的国情•地热换热器所需埋管的总长度需要根据埋管的形式、地下岩土的热物性、地下的温度和冷热负荷的情况作详细的计算才能确定。设置地热换热器的主要费用是钻孔的费用。因此正确设计地热换热器埋管的长度对于保证系统的性能和经济性十分重要。山于影响因素很多,数学模型复杂，国内外已开发了一些地热换热器设计计算软件，可以避免盲目估算带來的失误。其中地下岩土的热物性对传热能力的影响很大,建议采用现场实测的方法确定地下岩土的热物性。A.水平敷设地耦管路：B.垂直敷设地耦管路：一.地源热泵在国内外的研究现状及未来发展趋势国外对地源热泵的研究较早，最早可以追溯到1912年瑞士的一个专利。而该技术的提岀始于英美两国。美国在1946年进行的12个地下盘管研究项冃，这些系统测试了地下埋管的参数。1954年,美国人发明了世界上第一台地源热泵。从地源热泵应用情况来看:北欧国家主耍偏重于冬 季采暖，而美国则注重冬夏连供。由于美国的气候条件与中国很相似，因此研究美国的地源热泵应用情况对我国地源热泵的发展有着借鉴意义。美国大部分地源热泵系统采用了冬季采暖，夏季制冷的全年运行方式，随着地源热泵技术的进步和工程的应用，其研究工作也逐渐深入，出现了对具强化传热技术，混合式地源热泵技术等。在国内的研究，在地源热泵的三种不同的系统形式中，山于采用地下埋管换热器，使得土壤源热泵的技术难度最大，设计和施工都很困难,所以一直也是地源热泵技术的难点和核心所在。我国对地源热泵的一系列研究工作开始于20世纪80年代,主要集中于以下几个方面：1）地下埋管换热器的传热模型和传热研究；2）夏季瞬态工况数值模拟的研究；3）热泵装置与部件的仿真模型的理论和实践研究；4）地源热泵空调系统制冷工质替代研究；5）其他能源如太阳能、水电等与地热源联合应用的研究；6）地源热泵系统的设计和施工；7）地源热泵系统的经济性能和运行特性的研究；8）地源热泵系统与埋地换热器的技术经济性能匹配方面机组整体性能的研究；9）土壤热物性及土壤导热系数的实验研究等等。这些研究绝大多数都局限于对所建立的实验系统进行技术可行性分析和埋地换热器传热模型的建立,从而得出土壤源热泵节能的一般性结论。在地源热泵系统经济运行方面一直比较缺乏。地下埋管换热器的稳定性和高效性直接影响系统的性能和初投资，由于缺乏对地下埋管换热器动态特性方面的深入研究，使得这些结论人多只适用于某一具体实验系统或地区，而H所能提供的数据较少，只能作为本地区的设计依据。这都影响了地源热泵技术在我国的迅速发展。随着地源热泵在我国的逐渐推广，対地源热泵系统经济性能和运行特性的研究也日益受到重视。哈尔滨工业大学针对地源热泵钻井费昂贵、初投资比普通供暖空调高的问题，利用经济评价方法，以哈尔滨地区供暖面积10000m2为计算对象,分析比较了地源热泵3种驱动源（电动机、燃气机、柴油机）、3种辅助热源（电锅炉、油锅炉、燃气锅炉）等系统组合的经济参数（初投资、年经营成本、年总成本、净现值、净现值率及投资回收期），分析计算得出利用燃气机驱动的辅助燃气锅炉的地源热泵系统为最佳的结论。北京建筑工程学院从节能分析出发，结合工程实例,对地源热泵系统即地下水热泵系统和土壤源热泵系统与风冷热泵系统在技术性能和经济性能方面进行了对比。分析表明地源热泵系统性能参数比风冷热泵系统有较大提高;初投资和运行费用比风冷热泵系统节省24%~30%。一些研究人员还依据圜柱源理论，建立了符合地面热泵机组和地下埋管换热器特性的模拟模型，并运用模型对地源热泵的冬季和夏季运行特性进行了模拟。Ui4・2项目概况1、工程项目：嗦泗龙眼礁旅游度假屮心地源热泵中央空调系统工程2、建设单位：嘛泗远东长滩旅游开发有限公司3、具体地址：浙江省舟山市嘛泗县菜园镇高场湾村4、建筑类型：公共建筑5、建筑面积：项目总建筑面积20047.07平方米6、使用功能：旅游、度假、住宿7、建设时间:工程建设时间为2009年11月-2012年3月8、地源热泵系统节能示范项口总投资：516.46万元9、示范工程中应用可再生能源的投资增量：147.44万元10、工程项目总平面示意图： Z■X4.2设计范围龙眼礁旅游度假中心地源热泵系统的设计范圉是酒店主楼、副楼的中央空调系统和酒店主楼、副楼、员工综合楼、7栋海最房热水系统。4.3空调系统选型分析针对项冃对空调使用效果要求、项冃所处环境及对建筑的整体要求进行空调系统选型分析。4.3.1海风对风冷机组的影响本项目位于噱泗县菜园镇南面，泗礁岛南部高场湾村西侧海边，（1）海面吹向地面的风比从地面吹來的风携带更多的水分，湿度更大，会与VRV空调系统或者风冷热泵空调系统机主的金属部分发生氧化还原反应，对机组设起到腐蚀影响。（2）海面的温差变化小，一般说海风腐蚀性大的时候都是巫季左右。这个时候海面温度低所以形成向陆地吹来的风，山于日照、温度、蒸发等原因。这个时候海风的风力要比一般风或者其他时候的的海风大。所以作用力更大。对暴露与室外的VRV空调主机与风冷热泵空调主机及冷却塔等设备腐蚀影响更大。由于以上原因，此项目采用VRV系统和风冷热泵系统，效果不稳定，冬季增加除霜量，机组寿命短，因此不采用此两种系统。4.3.2不利于海水源热泵空调系统的实施此项目尽管位于海边，但不利于海水源热泵机组的实施。（1）取水口离机房太远，不方便海水的运输，并且海水虽然进行过净化处理但杂质含量还是很高。远距离输送时会在运输管路的低洼处结垢不方便清洗，堵塞管道带來不便，FL海水输送管段距离很远管子口径乂大不方便远程埋设。海水潮起潮落，使海水温度不稳定，取水口难以掌控。而11取水井清淤将带来较大的维护工作量。（2）冬季海水温度约为4-6°C,制热效果不佳，能效低。（3）由于管线是远距离输送，运送途中管线的走向收地貌地质的影响可能会造成水管局部阻力和沿程阻力增加，也增加了很多不确定因数。 （4）由于海水具有腐蚀性，对源侧设备腐蚀强，对管材和机组的材料有特别要求，如采用欽合金材料，投资成本增加过大，并11维护费用高。山于以上原因，不采用海水源热泵系统。4.3.3水■水式螺杆机组不利于环保釆用水水式螺杆机组，夏季散热需要安置冷却塔进行散热，冷却置于室外，受海风的侵蚀影响较大，使用寿命短。冬季制热需要增加锅炉作为热源，耗电或耗油、煤。而此项目要求做到低碳环保，与周国环境相协调，而采用煤油锅炉+螺杆机组，即无法降耗，并且增加碳排放，对保护周围生态环境有一定影响。因此不采用此系统。4.3.4地源热泵系统是此项目空调系统最佳方案本项目位于海边，10米以上为沙土层，10米以下为岩石层，为地源热泵系统提了优越的条件，并且地源热泵系统不会受到海风的影响，具体如下：（1）本项目10米以下为全岩石，岩石密度高，散热系数大，增加了埋管的换热能力；并且周边面积宽余，适合埋管，增加散热系数。（2）地源热泵机空调系统主机和换热部分不位于室外也不会与室外空气接触，不受海边天气的影响，而腐蚀机组。（3）并且地源热泵空调系统可实现同时制冷制热制取生活热水，同样具有高效节能、绿色环保的特性。4.4总结根据项目实际情况，周围环境影响，采用地源热泵中央系统。不但响应现国家节能减排的号召，同时地源热泵所具有的高效率和舒适性能，提升了建筑物的品质。在建筑供热空调中采用地源热泵技术可以有效地提高一次性能源利用率，减少温室效应气体二氧化碳和其他燃烧产生的污染物的排放，是一种可持续发展的建筑节能新技术。地下水热泵和地表水热泵系统受水资源条件的制约，应用范围受到限制.地源热泵（地下藕合热泵系统）适用范围广，运行费用低，节能和环保效益显著。相信通过各方面的努力,地源热泵的应用将会得到较快的推广和发展。学习心得时光荏苒，一个学期的建筑节能课程已经结束，我学到了很多与建筑节能设计有关的知识，也成反了很多。从遮阳的设计手法，围护结构的节能设计，再生资源的利用。绿色建筑在将来的建筑技术发展上起着重要的作用，也是实际中必须看重的。大三以前的建筑设计一直都偏重于概念设计，以至于虚无缥缈找不到实际设计感觉，大四在不断地反思中认识设计的意义，在于因地制宜结合环境产生不同的空间体验，主要的一点是要结合环境。从这门课程中进一步的结合设计课程更好的理解运用节能设计的手法。结合老师所讲的课程我们制作了相关的ppto更深的理解上课的重点。知道如何下手让我们设计的建筑与环境相容，与地球相容。