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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 土壤有效導熱系數(shù)的研究及熱響應實驗 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,土壤有效導熱系數(shù)研究,土壤有效導熱系數(shù)試驗研究（1996～1997） 土壤有效導熱系數(shù)的分形研究（2002～2003）,11,土壤有效導熱系數(shù)的試驗研究,土壤有效導熱的一般表述 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,土壤有效導熱系數(shù)的試驗研究,14,土壤有效導熱系數(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,熱響應實驗,熱響應實驗的理論基礎是開爾文的線源理論，以下公式描述了線源理論，熱響應實驗就是在此公式基礎上進行土壤熱參數(shù)計算的 熱響應實驗原理圖如右圖所示 熱響應實驗設備的原理就是一個閉式的加熱設備，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)分析從而得到導熱系數(shù)等參數(shù)。,23,熱響應實驗,,熱響應實驗裝置外觀圖,熱響應實驗數(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)設計,GSHP系統(tǒng)設計基礎資料 空調(diào)系統(tǒng)的冷熱負荷 室內(nèi)空調(diào)設備的選擇 室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的設計 GSHP系統(tǒng)的選擇和設計步驟 GCHP系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設計,27,GSHP系統(tǒng)設計基礎資料,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 設計外部集管 系統(tǒng)的阻力計算及水泵的選擇 設計清潔系統(tǒng),33,GCHP系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設計,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 同濟大學試驗單位管長換熱量40～60W/m,35,GCHP系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設計,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，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)有樁基埋設換熱器的實例。在工程樁中埋設換熱器，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,鉆孔埋設單U型管換熱器,鉆孔埋設W型管換熱器,工程樁內(nèi)埋設換熱器,,47,,土壤源換熱器埋管方式,武昌對工程樁內(nèi)埋設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W型換熱器一次試驗成功，兩次埋設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，工程樁在放下導管和用導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，雖然設計考慮了在鋼筋網(wǎng)架內(nèi)設置井字型導管艙保護塑料管，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)的導管艙中心存在偏差，造成導管放下失敗。故工程樁內(nèi)埋設換熱器設計采用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)設計單U型井埋管鉆孔深度為75m , C區(qū)設計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U型PE換熱管32000米，共設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,