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?zé)豳Y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(shí)驗(yàn) 土壤熱源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器放熱量實(shí)驗(yàn) GSHP系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(guó)內(nèi)GSHP系統(tǒng)工程應(yīng)用,,2,地?zé)豳Y源的利用,目前，建筑節(jié)能開(kāi)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(guó)可再生能源法》已由中華人民共和國(guó)第十屆全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第十四次會(huì)議于2005年2月28日通過(guò)，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(yǔ) GSHP系統(tǒng)類(lèi)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(diǎn) GSHP系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 大地初始溫度場(chǎng)分布 埋地?fù)Q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(diǎn),低運(yùn)行費(fèi)用，比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能25～50％ 多余過(guò)熱蒸汽經(jīng)減溫裝置，夏季向用戶提供免費(fèi)熱水，冬季熱水加熱的費(fèi)用減半 低噪聲，運(yùn)行安靜 不受室外溫度波動(dòng)影響，高效，運(yùn)行穩(wěn)定 對(duì)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(hù)費(fèi)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(dá)20年以上 結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)外掛設(shè)備，美觀大方,7,GSHP系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),埋地?fù)Q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(chǎng)分布,,9,埋地?fù)Q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(yàn)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(yàn)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(cè)量試驗(yàn)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(shù)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(zhǎng)度探針的熱容量。 是單位長(zhǎng)度探針單位時(shí)間的發(fā)熱量。 根據(jù)拉氏變換可得探針的過(guò)余溫度,,,,,13,土壤有效導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)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(cè)量尺度—— 固體顆粒面積—— 無(wú)標(biāo)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(yàn)數(shù)據(jù) 分形計(jì)算數(shù)據(jù),樣品2 試驗(yàn)數(shù)據(jù) 分形計(jì)算數(shù)據(jù),22,熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn),熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是開(kāi)爾文的線源理論，以下公式描述了線源理論，熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)就是在此公式基礎(chǔ)上進(jìn)行土壤熱參數(shù)計(jì)算的 熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理圖如右圖所示 熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原理就是一個(gè)閉式的加熱設(shè)備，通過(guò)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(guò)專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)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(shí)驗(yàn),,熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置外觀圖,熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件,24,地埋管換熱器放熱量實(shí)驗(yàn),本實(shí)驗(yàn)所處地點(diǎn)為同濟(jì)大學(xué)文遠(yuǎn)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(jì)； 9－水表； 10－潛水泵； 11－Y型過(guò)濾器。,,某地源熱泵地埋管換熱器試驗(yàn)原理圖,,25,地埋管換熱器放熱量實(shí)驗(yàn),對(duì)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(guò)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(jì),GSHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料 空調(diào)系統(tǒng)的冷熱負(fù)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(jì) GSHP系統(tǒng)的選擇和設(shè)計(jì)步驟 GCHP系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì),27,GSHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(bào)告 地表水應(yīng)用調(diào)查報(bào)告 地下水系統(tǒng)試驗(yàn)井的調(diào)查報(bào)告 垂直地下?lián)Q熱器系統(tǒng)試驗(yàn)孔調(diào)查報(bào)告 水平地下?lián)Q熱器試驗(yàn)坑調(diào)查報(bào)告 監(jiān)視井 水的質(zhì)量,28,空調(diào)冷熱負(fù)荷,分區(qū)負(fù)荷 高峰負(fù)荷－用于地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì) 平均負(fù)荷 總能耗計(jì)算 Degree day法 Bin法 Hour by hour法 DeST 負(fù)荷頻率表 地下負(fù)荷,,29,室內(nèi)空調(diào)設(shè)備的選擇,水－空氣水源熱泵機(jī)組 GCHP系統(tǒng)使用 GWHP和SWHP系統(tǒng)使用,,,美國(guó)制冷學(xué)會(huì)（ARI）的水－空氣熱泵標(biāo)準(zhǔn),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(lè)場(chǎng)、草地、停車(chē)場(chǎng)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(guó)GSHP系統(tǒng)的水溫要求,32,GCHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟,決定地下性質(zhì)（鉆試驗(yàn)孔洞） 確定管道管徑、尺寸、孔洞分析、回填 計(jì)算所需孔洞長(zhǎng)度及布置孔洞 設(shè)計(jì)外部集管 系統(tǒng)的阻力計(jì)算及水泵的選擇 設(shè)計(jì)清潔系統(tǒng),33,GCHP系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì),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(dòng) 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(jì),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(dòng)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(fù)荷 地下?lián)Q熱器長(zhǎng)度 單位管長(zhǎng)換熱量35～55W/m 同濟(jì)大學(xué)試驗(yàn)單位管長(zhǎng)換熱量40～60W/m,35,GCHP系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì),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(jì)算 沿程阻力 局部阻力采用當(dāng)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(jì),,36,空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗分析,BIN 參數(shù) 全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算 GSHP系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗計(jì)算 熱泵機(jī)組的能耗 埋地?fù)Q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(yùn)行能耗計(jì)算 風(fēng)冷熱泵機(jī)組能耗 風(fēng)側(cè)換熱器風(fēng)機(jī)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(fù)荷側(cè)能耗相同忽略不計(jì),37,上海地區(qū)2℃間隔24小時(shí)運(yùn)行BIN參數(shù),38,天鄰別墅全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算,39,GSHP系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗分析,40,ASHP系統(tǒng)能耗分析,41,埋地?fù)Q熱器內(nèi)部溫度分布,埋地?fù)Q熱器內(nèi)部溫度模擬如圖所示，可以看出管間距對(duì)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(zhǎng)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(huì)造成土壤的熱堆積，土壤溫度的升高如果不能得到及時(shí)的恢復(fù)，將對(duì)換熱性能造成很大影響，所以，對(duì)熱泵管群的模擬顯得尤為重要。 模擬了不同管間距經(jīng)過(guò)一年后的土壤溫度變化。選取點(diǎn)為中心最不利點(diǎn)。,,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(shí)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(duì)工程樁內(nèi)埋設(shè)大直徑螺旋盤(pán)管換熱器和W型換熱器的形式進(jìn)行多次試驗(yàn)，埋設(shè)W型換熱器一次試驗(yàn)成功，兩次埋設(shè)大直徑螺旋盤(pán)管換熱器的試驗(yàn)均失敗，分析失敗原因主要是試驗(yàn)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?xí)r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(jì)考慮了在鋼筋網(wǎng)架內(nèi)設(shè)置井字型導(dǎo)管艙保護(hù)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(hù)壁質(zhì)量不高，易造成塌孔，強(qiáng)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(jì)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(guò)一年的運(yùn)行，溫度升高為1.3度左右。,51,模擬土壤溫度測(cè)點(diǎn)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(diǎn)其溫度波動(dòng)隨水溫的變化波動(dòng)最大；黑色為距離換熱器最遠(yuǎn)點(diǎn)其溫度變化滯后于水溫變化,,,53,國(guó)內(nèi)土壤源換熱器試驗(yàn)研究,,武昌某工地測(cè)試井研究,,杭州某工地測(cè)試井研究,,武昌站某工地測(cè)試井研究,,南京朗詩(shī)國(guó)際街區(qū)測(cè)試井研究,54,,土壤源換熱器試驗(yàn)研究,,武昌某工地測(cè)試井研究,,試驗(yàn)井埋管的施工和安裝數(shù)據(jù),55,,,,土壤源換熱器試驗(yàn)研究,,武昌某工地測(cè)試井研究,試驗(yàn)井埋管垂直段的釋熱量分析,試驗(yàn)井埋管垂直段的吸熱量分析,試驗(yàn)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(yàn)研究,,杭州某工地測(cè)試井研究,,試驗(yàn)井埋管的施工和安裝數(shù)據(jù),,57,,土壤源換熱器試驗(yàn)研究,,杭州某工地測(cè)試井研究,試驗(yàn)井埋管垂直段的釋熱量分析,試驗(yàn)井埋管垂直段的吸熱量分析,試驗(yàn)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(rùn)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(yàn)研究,,武昌站某工地測(cè)試井研究,,試驗(yàn)井埋管的施工和安裝數(shù)據(jù),,,59,土壤源換熱器試驗(yàn)研究,,武昌站某工地測(cè)試井研究,,,,試驗(yàn)井埋管垂直段的釋熱量分析,60,土壤源換熱器試驗(yàn)研究,,武昌站某工地測(cè)試井研究,,,,試驗(yàn)井埋管垂直段的吸熱量分析,,試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，管徑相同，流量相當(dāng)?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(cè)試時(shí)間短，試驗(yàn)結(jié)果與杭州相差很大，偏差與試驗(yàn)方法有關(guān)，試驗(yàn)結(jié)果僅供設(shè)計(jì)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(cè)試數(shù)據(jù)，并用杭州工程樁的試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)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(dāng)設(shè)計(jì)單U型井埋管鉆孔深度為65m時(shí)，地塊A、B、C區(qū)的總釋熱量4633kW, 總吸熱量3302kW； 當(dāng)?shù)貕KA、B、D區(qū)設(shè)計(jì)單U型井埋管鉆孔深度為75m , C區(qū)設(shè)計(jì)W型井埋管鉆孔深度為75m時(shí)，地塊A、B、C、D區(qū)的總釋熱量6471kW, 總吸熱量4629kW。,63,國(guó)內(nèi)樁基式地源熱泵工程實(shí)例,南京朗詩(shī)國(guó)際街區(qū) 占地面積16萬(wàn)平米； 建筑面積30萬(wàn)平米； 共18層,64,朗詩(shī)國(guó)際街區(qū)地源熱泵系統(tǒng),朗詩(shī)國(guó)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(xiǎn)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(fèi)用，同時(shí)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(jìn)行補(bǔ)充,65,,土壤源換熱器試驗(yàn)研究,,南京朗詩(shī)國(guó)際街區(qū)測(cè)試井研究,,試驗(yàn)井埋管的施工和安裝數(shù)據(jù),66,,,,土壤源換熱器試驗(yàn)研究,,南京朗詩(shī)國(guó)際街區(qū)測(cè)試井研究,試驗(yàn)井埋管垂直段的釋熱量分析,試驗(yàn)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(jì),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(chē)庫(kù)底部共埋設(shè)U型PE換熱管32000米，共設(shè)200多個(gè)埋深孔，孔深在65－80米之間，中間以回填材料填實(shí)。下圖為地下埋管系統(tǒng)圖。,,,,68,xx都市之門(mén)地源熱泵系統(tǒng),管委會(huì)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(huì)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?fù)Q熱器分區(qū)設(shè)計(jì),由于大規(guī)模地埋管的布置，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及控制是一個(gè)很大的考驗(yàn)，由于管路多，布置密集，如果單一管路發(fā)生故障，對(duì)其它管路造成影響則會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 在某些實(shí)際工程中，采用了地下小室及二級(jí)分集水器等措施，其原理即為將大面積的埋地?fù)Q熱器劃分為若干小區(qū)域，通過(guò)初級(jí)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(mén)地源熱泵設(shè)計(jì)初期方案將整個(gè)埋地?fù)Q熱器布置分為十二個(gè)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(gè)小區(qū)域,大規(guī)模埋地?fù)Q熱器分區(qū)圖,71,A區(qū)埋管詳細(xì)布置圖,,,初級(jí)分水器,,初級(jí)集水器,72,初級(jí)分集水器水管連接圖,,,初級(jí)分集水器的水管統(tǒng)一連接到制冷機(jī)房的二級(jí)分集水器上,73,謝謝！,74,