可再生能源地源熱泵系統(tǒng)ppt課件

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可再生能源 －－地源熱泵,1,地熱資源的利用 土壤熱源熱泵系統(tǒng)（GSHP）綜述 土壤有效導(dǎo)熱系數(shù)的研究及熱響應(yīng)實驗 土壤熱源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器放熱量實驗 GSHP系統(tǒng)設(shè)計 上海天鄰別墅GSHP系統(tǒng)分析 大規(guī)模地源熱泵土壤溫度變化模擬 國內(nèi)GSHP系統(tǒng)工程應(yīng)用,,2,地熱資源的利用,目前，建筑節(jié)能開展得如火如荼，地源熱泵系統(tǒng)作為一種可再生能源系統(tǒng)，正受到前所未有的重視。 《中華人民共和國可再生能源法》已由中華人民共和國第十屆全國人民代表大會常務(wù)委員會第十四次會議于2005年2月28日通過，現(xiàn)予公布，自2006年1月1日起施行。,3,GSHP 系統(tǒng)綜述,GSHP系統(tǒng)術(shù)語 GSHP系統(tǒng)類型 GSHP系統(tǒng)與常規(guī)家用空調(diào)系統(tǒng)的比較 GSHP系統(tǒng)的優(yōu)點 GSHP系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 大地初始溫度場分布 埋地換熱器傳熱數(shù)學(xué)模型,4,GSHP 系統(tǒng)綜述,地源熱泵系統(tǒng) (GSHP) 土壤耦合熱泵系統(tǒng) (GCHP) 地下水熱泵系統(tǒng) (GWHP) 地表水熱泵系統(tǒng) (SWHP),5,系統(tǒng)比較,常規(guī)家用空調(diào)系統(tǒng),6,GSHP的優(yōu)點,低運行費用，比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能25～50％ 多余過熱蒸汽經(jīng)減溫裝置，夏季向用戶提供免費熱水，冬季熱水加熱的費用減半 低噪聲，運行安靜 不受室外溫度波動影響，高效，運行穩(wěn)定 對環(huán)境影響小，綠色環(huán)保 提供優(yōu)質(zhì)的室內(nèi)熱舒適環(huán)境 低維護費用,為傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的1/3 用于區(qū)域供熱、供冷，調(diào)節(jié)性高 經(jīng)久耐用，壽命可達20年以上 結(jié)構(gòu)緊湊，無外掛設(shè)備，美觀大方,7,GSHP系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),埋地換熱器傳熱模型的研究 回填材料的研發(fā) 土壤熱源熱泵系統(tǒng)的合理配置 土壤熱物性的研究,8,大地初始溫度場分布,,9,埋地換熱器傳熱數(shù)學(xué)模型,,根據(jù)拉氏變換可得溫度解析解,,t=960h 不同土柱半徑處土壤溫度,10,土壤有效導(dǎo)熱系數(shù)研究,土壤有效導(dǎo)熱系數(shù)試驗研究（1996～1997） 土壤有效導(dǎo)熱系數(shù)的分形研究（2002～2003）,11,土壤有效導(dǎo)熱系數(shù)的試驗研究,土壤有效導(dǎo)熱的一般表述 含水率 密度 飽和度 土溫 t 空隙比 e,,,,,,,,12,探針測量試驗原理,1. 加熱器引線 2. 熱電偶 3. 陶瓷管 4. 熱電偶引線 5. 不銹鋼套管 6. 環(huán)氧樹脂 7. 不銹鋼管 8. 石蠟填料 9. 雙股加熱器繞線 10. 焊接封頭,,,式中， 是單位長度探針的熱容量。 是單位長度探針單位時間的發(fā)熱量。 根據(jù)拉氏變換可得探針的過余溫度,,,,,13,土壤有效導(dǎo)熱系數(shù)的試驗研究,14,土壤有效導(dǎo)熱系數(shù)的分形研究,15,剖面固體顆粒分布分維,面積測量尺度—— 固體顆粒面積—— 無標度空間 土壤樣品1：10-6mm2～4mm2 土壤樣品2：10-3mm2～100mm2,16,土壤剖面上固體顆粒分布自相似規(guī)律,17,土壤樣品粒徑分布自相似規(guī)律,18,土壤結(jié)構(gòu)的分形模型,19,土壤樣品有效導(dǎo)熱系數(shù)的分形表述,土壤樣品1,土壤樣品2,20,土壤樣品 1,土壤樣品 2,21,土壤樣品有效導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)比較,樣品1 試驗數(shù)據(jù) 分形計算數(shù)據(jù),樣品2 試驗數(shù)據(jù) 分形計算數(shù)據(jù),22,熱響應(yīng)實驗,熱響應(yīng)實驗的理論基礎(chǔ)是開爾文的線源理論，以下公式描述了線源理論，熱響應(yīng)實驗就是在此公式基礎(chǔ)上進行土壤熱參數(shù)計算的 熱響應(yīng)實驗原理圖如右圖所示 熱響應(yīng)實驗設(shè)備的原理就是一個閉式的加熱設(shè)備，通過地下?lián)Q熱器給土壤加熱，并記錄相關(guān)溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)所收集數(shù)據(jù)通過專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件進行數(shù)據(jù)分析從而得到導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)。,23,熱響應(yīng)實驗,,熱響應(yīng)實驗裝置外觀圖,熱響應(yīng)實驗數(shù)據(jù)處理軟件,24,地埋管換熱器放熱量實驗,本實驗所處地點為同濟大學(xué)文遠樓，原理圖如右圖所示 1－單U型地埋管； 2－恒溫水箱； 3－電加熱器1； 4－電加熱器2； 5－球閥； 6－水泵； 7－止回閥； 8－鉑電阻溫度計； 9－水表； 10－潛水泵； 11－Y型過濾器。,,某地源熱泵地埋管換熱器試驗原理圖,,25,地埋管換熱器放熱量實驗,對于特定的地埋管換熱器，在保持其他量不變的情況下，單位井深放熱量隨著供水溫度的提高而增大，通過最小二乘法擬合可以得到單位井深放熱量隨供水溫度的變化關(guān)系式為：y = 217.26Ln(x)－743.29 式中，y為單位井深放熱量，w/m井深；x為供水溫度，℃。,,26,GSHP系統(tǒng)設(shè)計,GSHP系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)資料 空調(diào)系統(tǒng)的冷熱負荷 室內(nèi)空調(diào)設(shè)備的選擇 室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計 GSHP系統(tǒng)的選擇和設(shè)計步驟 GCHP系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設(shè)計,27,GSHP系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)資料,總平面的水文地質(zhì)、地表情況 地質(zhì)和水文地質(zhì)的成分調(diào)查報告 地表水應(yīng)用調(diào)查報告 地下水系統(tǒng)試驗井的調(diào)查報告 垂直地下?lián)Q熱器系統(tǒng)試驗孔調(diào)查報告 水平地下?lián)Q熱器試驗坑調(diào)查報告 監(jiān)視井 水的質(zhì)量,28,空調(diào)冷熱負荷,分區(qū)負荷 高峰負荷－用于地下?lián)Q熱器設(shè)計 平均負荷 總能耗計算 Degree day法 Bin法 Hour by hour法 DeST 負荷頻率表 地下負荷,,29,室內(nèi)空調(diào)設(shè)備的選擇,水－空氣水源熱泵機組 GCHP系統(tǒng)使用 GWHP和SWHP系統(tǒng)使用,,,美國制冷學(xué)會（ARI）的水－空氣熱泵標準,30,GCHP系統(tǒng)的選擇,考慮地下?lián)Q熱器所需的地表面積 考慮地下管道的承壓 立式熱交換器一般限制在六層以下 水平系統(tǒng)考慮占地面積 混合式GCHP系統(tǒng)（附加冷卻塔） 游樂場、草地、停車場可設(shè)置地下?lián)Q熱器 管道要保溫（管路溫度高于7.2～10℃除外） 北方地區(qū)系統(tǒng)需加抗凍劑溶液,31,美國GSHP系統(tǒng)的水溫要求,32,GCHP系統(tǒng)設(shè)計步驟,決定地下性質(zhì)（鉆試驗孔洞） 確定管道管徑、尺寸、孔洞分析、回填 計算所需孔洞長度及布置孔洞 設(shè)計外部集管 系統(tǒng)的阻力計算及水泵的選擇 設(shè)計清潔系統(tǒng),33,GCHP系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設(shè)計,地下?lián)Q熱器埋管形式 豎直埋管、水平埋管 管路連接方式 串連、并聯(lián)流動 同程、異程 地下熱交換器的組成 供回集管、環(huán)路、同程回流管、U型彎管 塑料管的選擇 塑料管材－PE 、PB,34,GCHP系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設(shè)計,塑料管尺寸 PE3408 SDR11 PE3408 SCH40 PB2110 SDR13.5 PB2110 SDR17 塑料管直徑的選擇 管道要大到足夠保持最小輸送功率 管道要小到管內(nèi)流動為紊流 內(nèi)徑小于50mm，管內(nèi)流速0.6～1.2m/s 內(nèi)徑大于50mm，管內(nèi)流速小于1.8m/s 地下?lián)Q熱器換熱量－地下負荷 地下?lián)Q熱器長度 單位管長換熱量35～55W/m 同濟大學(xué)試驗單位管長換熱量40～60W/m,35,GCHP系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設(shè)計,地下?lián)Q熱器的鉆孔數(shù) 鉆孔間距—相鄰孔洞最小間距4. 5m 地下?lián)Q熱器的孔深 根據(jù)鉆孔數(shù)確定，一般為40～90m 地下?lián)Q熱器阻力計算 沿程阻力 局部阻力采用當量尺度法 地下?lián)Q熱器環(huán)路水泵選型 地下?lián)Q熱器水管承壓能力校核 水系統(tǒng)其他裝置設(shè)計,,36,空調(diào)系統(tǒng)全年運行能耗分析,BIN 參數(shù) 全年動態(tài)負荷計算 GSHP系統(tǒng)全年運行能耗計算 熱泵機組的能耗 埋地換熱器側(cè)循環(huán)水泵能耗 室內(nèi)側(cè)冷凍水循環(huán)水泵能耗 空調(diào)末端設(shè)備能耗 ASHP系統(tǒng)全年運行能耗計算 風冷熱泵機組能耗 風側(cè)換熱器風機能耗 冬季除霜能耗 室內(nèi)側(cè)冷凍水循環(huán)水泵能耗 空調(diào)末端設(shè)備能耗 GSHP ASHP系統(tǒng)負荷側(cè)能耗相同忽略不計,37,上海地區(qū)2℃間隔24小時運行BIN參數(shù),38,天鄰別墅全年動態(tài)負荷計算,39,GSHP系統(tǒng)全年運行能耗分析,40,ASHP系統(tǒng)能耗分析,41,埋地換熱器內(nèi)部溫度分布,埋地換熱器內(nèi)部溫度模擬如圖所示，可以看出管間距對溫度變化的影響，上圖為間距52mm，下圖間距72mm，為了防止供回水管間的熱干擾，管間距應(yīng)選擇適宜長度。,,42,土壤源熱泵管群的模擬結(jié)果,,,,,間距4m 溫升0.401℃,間距3m 溫升0.712℃,間距2m 溫升1.413℃,,,大規(guī)模土壤源熱泵管群，由于其埋管布置密集，在中心區(qū)域會造成土壤的熱堆積，土壤溫度的升高如果不能得到及時的恢復(fù)，將對換熱性能造成很大影響，所以，對熱泵管群的模擬顯得尤為重要。 模擬了不同管間距經(jīng)過一年后的土壤溫度變化。選取點為中心最不利點。,,43,,間距2m的管群土壤溫度年變化,44,間距4m的管群土壤溫度年變化,45,樁基式管群模擬,目前，工程中出現(xiàn)了利用建筑現(xiàn)有樁基埋設(shè)換熱器的實例。在工程樁中埋設(shè)換熱器，可以減少系統(tǒng)的初投資，使地源熱泵能夠得到更普遍的使用。,46,,土壤源換熱器埋管方式,鉆孔埋設(shè)單U型管換熱器,鉆孔埋設(shè)W型管換熱器,工程樁內(nèi)埋設(shè)換熱器,,47,,土壤源換熱器埋管方式,武昌對工程樁內(nèi)埋設(shè)大直徑螺旋盤管換熱器和W型換熱器的形式進行多次試驗，埋設(shè)W型換熱器一次試驗成功，兩次埋設(shè)大直徑螺旋盤管換熱器的試驗均失敗，分析失敗原因主要是試驗樁深45m，存在樁位偏差，工程樁在放下導(dǎo)管和用導(dǎo)管搗固混凝土時極易撞斷捆扎在鋼筋網(wǎng)架內(nèi)側(cè)的HDPE100塑料管，雖然設(shè)計考慮了在鋼筋網(wǎng)架內(nèi)設(shè)置井字型導(dǎo)管艙保護塑料管，但吊裝20m鋼筋網(wǎng)架易變形，且旋噴鉆孔樁成孔速度快，泥漿護壁質(zhì)量不高，易造成塌孔，強行放下的鋼筋網(wǎng)架內(nèi)的導(dǎo)管艙中心存在偏差，造成導(dǎo)管放下失敗。故工程樁內(nèi)埋設(shè)換熱器設(shè)計采用W型換熱器。,48,樁基式地源熱泵土壤溫度年變化,49,樁基式地源熱泵土壤溫度年變化,50,樁基式地源熱泵土壤溫度年變化,管群中心區(qū)域熱堆積較顯著，模擬單管換熱量為50W/m的情況，經(jīng)過一年的運行，溫度升高為1.3度左右。,51,模擬土壤溫度測點布置圖,,,,,52,樁基式地源熱泵土壤溫度年變化,,,紅色為距離換熱器最近點其溫度波動隨水溫的變化波動最大；黑色為距離換熱器最遠點其溫度變化滯后于水溫變化,,,53,國內(nèi)土壤源換熱器試驗研究,,武昌某工地測試井研究,,杭州某工地測試井研究,,武昌站某工地測試井研究,,南京朗詩國際街區(qū)測試井研究,54,,土壤源換熱器試驗研究,,武昌某工地測試井研究,,試驗井埋管的施工和安裝數(shù)據(jù),55,,,,土壤源換熱器試驗研究,,武昌某工地測試井研究,試驗井埋管垂直段的釋熱量分析,試驗井埋管垂直段的吸熱量分析,試驗研究發(fā)現(xiàn)，W型井埋管在深度相差5m的情況下比單U型井埋管散熱能力約大20%以上，取熱能力約大25%以上。,56,土壤源換熱器試驗研究,,杭州某工地測試井研究,,試驗井埋管的施工和安裝數(shù)據(jù),,57,,土壤源換熱器試驗研究,,杭州某工地測試井研究,試驗井埋管垂直段的釋熱量分析,試驗井埋管垂直段的吸熱量分析,試驗研究發(fā)現(xiàn)，回填材料混凝土的傳熱性能優(yōu)于水泥漿＋膨潤土。其單位散熱能力增大30％左右，取熱能力增大27％左右。,58,土壤源換熱器試驗研究,,武昌站某工地測試井研究,,試驗井埋管的施工和安裝數(shù)據(jù),,,59,土壤源換熱器試驗研究,,武昌站某工地測試井研究,,,,試驗井埋管垂直段的釋熱量分析,60,土壤源換熱器試驗研究,,武昌站某工地測試井研究,,,,試驗井埋管垂直段的吸熱量分析,,試驗研究發(fā)現(xiàn)，管徑相同，流量相當?shù)那闆r下，雙U型埋管可以增大取熱量的散熱量約20%，灌注樁的取散熱量與單U型埋管基本接近。,61,由于武昌站的測試時間短，試驗結(jié)果與杭州相差很大，偏差與試驗方法有關(guān)，試驗結(jié)果僅供設(shè)計參考。本工程土壤源換熱器傳熱能力采用距于武昌站3.5km處某工地的測試數(shù)據(jù)，并用杭州工程樁的試驗研究結(jié)果進行修正，這樣的結(jié)果偏于安全。,傳熱能力表,62,,各地塊的釋熱和吸熱能力表,當設(shè)計單U型井埋管鉆孔深度為65m時，地塊A、B、C區(qū)的總釋熱量4633kW, 總吸熱量3302kW； 當?shù)貕KA、B、D區(qū)設(shè)計單U型井埋管鉆孔深度為75m , C區(qū)設(shè)計W型井埋管鉆孔深度為75m時，地塊A、B、C、D區(qū)的總釋熱量6471kW, 總吸熱量4629kW。,63,國內(nèi)樁基式地源熱泵工程實例,南京朗詩國際街區(qū) 占地面積16萬平米； 建筑面積30萬平米； 共18層,64,朗詩國際街區(qū)地源熱泵系統(tǒng),朗詩國際街區(qū)采用土壤耦合地源熱泵系統(tǒng)，垂直埋管方式從土壤中提取和釋放熱量 利用建筑本身的樁基，在樁基中埋入U型或W型土壤換熱器，節(jié)省了埋設(shè)土壤換熱器所需的打井費用，同時節(jié)省了占地面積 由樁基內(nèi)換熱器提供的冷量不足，剩余部分在建筑周邊打井進行補充,65,,土壤源換熱器試驗研究,,南京朗詩國際街區(qū)測試井研究,,試驗井埋管的施工和安裝數(shù)據(jù),66,,,,土壤源換熱器試驗研究,,南京朗詩國際街區(qū)測試井研究,試驗井埋管垂直段的釋熱量分析,試驗井埋管垂直段的吸熱量分析,67,武漢清江花園地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計,清江花園小區(qū)總建筑面積38000平方米，在小區(qū)中心花園下面地下車庫底部共埋設(shè)U型PE換熱管32000米，共設(shè)200多個埋深孔，孔深在65－80米之間，中間以回填材料填實。下圖為地下埋管系統(tǒng)圖。,,,,68,xx都市之門地源熱泵系統(tǒng),管委會大樓地總建筑面積68530.1m2，地下二層總面積為14361m2，共20層。 千人會堂總建筑面積10800m2，地下一層，地上三層。,,地埋管總平面圖,69,大規(guī)模埋地換熱器分區(qū)設(shè)計,由于大規(guī)模地埋管的布置，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性及控制是一個很大的考驗，由于管路多，布置密集，如果單一管路發(fā)生故障，對其它管路造成影響則會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。 在某些實際工程中，采用了地下小室及二級分集水器等措施，其原理即為將大面積的埋地換熱器劃分為若干小區(qū)域，通過初級分集水器連接這些小區(qū)域，方便控制，利于調(diào)節(jié)。西安都市之門地源熱泵設(shè)計初期方案將整個埋地換熱器布置分為十二個小型區(qū)域。具體如下圖所示。,70,,,,,,,,,,,,,,A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,,將換熱器劃分為12個小區(qū)域,大規(guī)模埋地換熱器分區(qū)圖,71,A區(qū)埋管詳細布置圖,,,初級分水器,,初級集水器,72,初級分集水器水管連接圖,,,初級分集水器的水管統(tǒng)一連接到制冷機房的二級分集水器上,73,謝謝！,74,