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地源热泵在中学校区的设计应用
发布时间：2020-04-13 来源：未知 点击次数： 打印 作者：admin
王爱清 韩涛 项超 胡建奇 郭增超
摘要：结合工程实例分析了地源热泵系统工艺流程设计，给出了地源侧埋管系 统满足高水位低区设计方法，地源侧埋管初投资计算，提出目前地源热泵系统设计中的缺陷，说明了如何配合系统运行调试而进行优化、完善系统设计形式。
关键词：地源热泵；地源侧埋管；土壤源换热器初投资；土壤源换热器系统设计、旁通阀；工艺优化设计；
随着能源短缺和环境恶化的问题日益突出，在满足人们健康、舒适要求的各种措施中，节约能源与环境保护已经成为暖通空调行业面对的一个重要议题。随着经济发展和科技进步，各种新材料、新设备、新技术、新工艺不断推陈出新，能源节约与环境保护是经济可持续发展的重要保证之一。在建筑供热空调中采用热泵技术可以充分利用环境中的低品位热能，提高建筑供热空调系统的一次能源利用率，减少CO2、NOx、SO2、粉尘等污染物的排放，是一种可持续发展的建筑节能新技术。
地埋管地源热泵系统利用地下埋管，在浅层土壤岩土体中组成土壤源换热器，使浅层土壤岩土体成为地源热泵空调系统的冷、热源。由于浅层土壤岩土体中常年保持恒定的温度(一般比常年平均温度高2℃左右)，远高于冬季空调、采暖室外计算温度，又远低于夏季空调室外计算温度。因此地源热泵系统具备较高的运行效率，属于可再生能源，因节能环保的优势突出并被大量普及与推广。由于地源热泵技术以大地岩土体为冷热源，介质在岩土体中封闭环路中循环流动，实现与岩土体热量交换的目的，并已经具有大量的工程项目实践和科研成果，是一种成熟的新能源利用技术，积累了一定的工程实践经验。在系统设计合理的情况下，可以稳定、经济、可靠地连续运行。
结合东营市第二中学新校区地源热泵实例，阐述如何满足安装、调试、运行调节的系统形式,如何进一步细化、优化地源热泵系统设计。
东营市第二中学迁建工程，建设地点: 东营市南三路以北，东三路以西。
1 基本设计参数
|
序号 |
负荷类型 |
项 目 |
单位 |
数 量 |
备 注 |
|
1 |
采暖 热负荷 |
总建筑面积 |
m² |
168000 |
|
|
2 |
地下建筑面积 |
m² |
13000 |
||
|
3 |
采暖空调建筑面积 |
m² |
155000 |
||
|
4 |
采暖热指标 |
W/m |
60 |
CJJ34-2010表3.1.2-1 |
|
|
5 |
采暖热负荷Q1 |
KW |
9300 |
||
|
6 |
卫生 热水 热负荷 |
卫生热水供应量 |
m³ |
200 |
集中热水供应 |
|
7 |
卫生热水总热负荷 |
KW |
9302 |
自5℃加热至45℃ |
|
|
8 |
热水加热负荷Q2 |
KW |
1860 |
连续加热5小时 |
|
|
9 |
游泳 池热 水热 负荷 |
水池容积 |
m³ |
750 |
长25m宽15m深2m |
|
10 |
室内温度 |
℃ |
18 |
||
|
11 |
池水水温 |
℃ |
27 |
||
|
12 |
补水量 |
m³/h |
60 |
8%补水量 |
|
|
13 |
四周表面散热负荷 |
KW |
202.5 |
0.06*池水表面积*ΔT |
|
|
14 |
初次加热总负荷 |
KW |
19186 |
自5℃加热至27℃ |
|
|
15 |
初次加热负荷 |
KW |
799.42 |
按照连续加热24h |
|
|
16 |
初次加热总负荷 |
KW |
1002 |
散热负荷+初次加热负荷 |
|
|
17 |
补水加热负荷 |
KW |
1534.9 |
补水量60m³/h |
|
|
18 |
运行加热负荷Q3 |
KW |
1737.4 |
补水量+表面散热负荷 |
|
|
19 |
总加热热负荷∑Q=Q1+Q2+Q3 |
KW |
12897 |
采暖+热水+泳池热负荷 |
|
|
注：最热月学校放假，本校区以冬季供热热负荷计算为主，冷负荷不计算。 |
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2 地源热泵机组设计选型
|
序 号 |
热泵机 组类型 |
规格及型号 |
单位 |
数 量 |
备 注 |
|
1 |
采暖地源热泵机组四台 |
采暖总热负荷 |
KW |
9300 |
|
|
2 |
制冷量 |
KW |
2232 |
N=380KW，7/12℃--25/30℃ |
|
|
3 |
制热量Q1 |
KW |
2232 |
N=490KW，5/10℃--45/50℃ |
|
|
4 |
卫生热水 热泵机组一台 |
热水加热负荷 |
KW |
1860 |
|
|
5 |
制冷量 |
KW |
1817 |
N=300KW，7/12℃--25/30℃ |
|
|
6 |
制热量Q2 |
KW |
1812 |
N=390KW，5/10℃--45/40℃ |
|
|
7 |
泳池热水 热泵机组一台 |
运行加热负荷 |
KW |
1737 |
|
|
8 |
制冷量 |
KW |
1817 |
N=300KW，7/12℃--25/30℃ |
|
|
9 |
制热量Q3 |
KW |
1812 |
N=390KW，5/10℃--45/40℃ |
|
|
注：①由于地下层进出设备高度受限制，采暖热泵机组选择4台小热泵机组 ②出于控制方便、连续运行稳定考虑，不采用带部分热回收的热泵机 组 |
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3 附属设备设计选型
|
序 号 |
附属设备 |
规格及型号 |
单位 |
数量 |
备 注 |
|
1 |
采暖 循环泵 |
卧式离心泵250/345-75/4 全部变频控制 |
台 |
4 |
三用一备 460t/h,37mH2o,N=75KW 带隔振器及连接底板 |
|
2 |
地源侧 循环泵 |
卧式离心泵300/525-90/6 全部变频控制 |
台 |
4 |
三用一备 600t/h,38mH2o,N=90KW 带隔振器及连接底板 |
|
3 |
热水 制备水泵 |
立式离心泵200/220-18.5/4 工频运转 |
台 |
2 |
一用一备 320t/h,13mH2o, N=18.5KW 带隔振器及连接底板 |
|
4 |
热水 供应水泵 |
全自动供水设备125/220-37/2 自动变频控制 |
台 |
3 |
3台泵同时运行 138t/h,60mH2o,N=37KW 带∅800囊式缓冲罐 |
|
5
|
空调系统 智能膨胀器 |
补水泵型号32LG6.5-15*4 服务面积16万m2 |
套 |
1
|
6.5t/h,60mH2o，N=3KW， 2台泵同时运行，设备不带软化水箱，带自动控制柜 |
|
6 |
地源系统 智能膨胀器 |
补水泵型号25/160-0.25/4 服务面积16万m2 |
套 |
1
|
2t/h,8mH2oN=0.25KW， 2台泵同时运行，设备不带软化水箱，带自动控制柜 |
|
7 |
旋流除污器 |
DN400 |
台 |
2 |
地源侧、采暖侧各一台 |
|
8 |
真空脱气机 |
ML6A N=1.5KW |
台 |
2 |
|
|
9 |
不锈钢水箱 |
5*4*3.5h |
个 |
1 |
采暖、地源补水箱 |
|
5*6*3.5h |
个 |
1 |
卫生热水水箱 |
||
|
6*6*3.5h |
个 |
1 |
|||
|
10 |
分、集水器 |
个 |
6 |
4 地源侧钻孔数量计算
根据本地区相似地质条件的热物性测试数据，De32*3单U垂直埋管的每延米换热量，冬季在32-37W/m范围内，夏季在43-48W/m，本次设计计算选取35W/m。由于采暖热负荷Q1、卫生热水热负荷Q2、游泳池运行加热负荷Q3同时存在，总加热热负荷为三者之和，∑Q=Q1+Q2+Q3=12897KW。最热月份学校放暑假，仅图书楼等部分建筑使用冷源；本校区以供热热负荷计算为主，冷负荷不计算。
地源侧钻孔数量计算表
|
序 号 |
项 目 |
方法与公式 |
单位 |
数 量 |
备 注 |
|
1 |
总热负荷 |
∑Q=Q1+Q2+Q3 |
KW |
12897 |
|
|
2 |
能效比 |
1/COP |
4.5 |
制热量÷输入功率 |
|
|
3 |
换热井深 |
单孔有效深度 |
m |
140 |
|
|
4 |
每米换热量 |
每延米换热量 |
W/m |
35 |
|
|
5 |
钻孔计算数量 |
理论钻孔数量 |
孔 |
2050 |
∑Q÷140÷35*(1-1/COP） |
|
6 |
工程附加1 |
工程废井率 |
% |
5 |
计入废井率5% |
|
7 |
工程附加2 |
联管不平衡率 |
% |
10 |
水平联管水力不平衡率10% |
|
8 |
钻孔总数量 |
工程钻孔数量 |
孔 |
2358 |
2050孔*(1+5%+10%) |
本校区需要钻孔≥2358孔，孔径∅130-150,钻孔146m深；竖向埋管PE100-De32单U管，底部采用U型180°弯头成品件。De32单U管订制长度143m/盘, 井底部预留3m下管淤积空间，顶部预留1.8m开槽深度，地面以上露出0.8-1.2m。孔距：南北孔间距4.5-5.0m,东西孔间距4.5-5m(见钻孔平面布置图)。水平联管：小分水器使用De90*8.2七星或九星接头，分组接到主管道上，每个系统均设计成同程系统接到热泵机房；每个系统阻力控制在180±7.5KPa。竖向埋管剖面图如下：
5地源侧投资概算
地埋管钻孔总量、钻孔施工的难易程度、是否设置室外分集水器与分集水器混凝土构筑物以及所使用的地埋管管材的压力等级是影响工程投资的重要因素。本工程地源侧投资情况见下表。
地源侧投资统计
6地源侧水平联管系统设计
地源热泵系统的地源侧水平联管系统设计的合理性是地源热泵系统成功的关键。2010年之前本地区外地进入的地源热泵公司颇多，大部分水平联管系统设计按照济南等地区的设计方法，即用De63的七通分集水器管接到室外分集水器，联通成为大管道(De315、De250等)分区域接到热泵机房。由于本地区地下水位高(-0.47m)，地表水径流严重，并且属于盐碱水，在夏季6-9月间，室外分集水器构筑物内全部浸泡盐碱水，所有阀门、金属管件、金属构件全部锈蚀，保修期过后，分集水器、支腿等金属构件等碱性腐蚀损坏，分集水器下沉，地源侧联管、接头等漏水，基本不能保持压力，必须重新更换维护。可以想象在满地是盐碱水的地下构筑物内，维护维修的难度太大了。为此以东营市建筑设计研究院为主的本地设计院、东营地区地源侧施工工程公司等改变了这种不适合本地区做法的系统形式。逐步探索出将地源侧按照不同区域，分区联管至热泵机房，每一个系统全部进行水力平衡计算，各个系统的不平衡率控制在10%以内。下图是适合东营盐碱地区水平联管条件最成功的设计、施工做法之一。
7地源热泵机房设计存在的问题
合理的地源热泵机房设计中，会考虑系统冲洗、系统调试、方便运行管理、降低运行费用等因素。下列问题是地源热泵机房设计需要重点注意和解决的。
7.1真空脱气机设计：由于循环水中不可避免的存在气体，如何将系统中的溶解性气体析出？高效的真空脱气机的脱气功能提高了管道及设备的防腐能力，提高了系统的热效率，降低了系统的噪声。
7.2系统旁通阀设计：大部分工艺设计中没有旁通阀，致使循环水必须流经蒸发器、冷凝器、板式换热器等机组设备，系统内的污物、污泥首先将这些设备堵塞，增强了电化学腐蚀程度，增加了循环阻力、降低了循环水流量，主机效率提前衰减，冷凝器、蒸发器提前穿孔损坏、严重影响空调效果。工艺设计中需要设计旁通阀，使得循环水不通过蒸发器、冷凝器、板式换热器等条件下，还能够高流速循环中，将系统污物在总过滤器中被清除出系统。可以说机房工艺设计如果不考虑整个大系统冲洗问题，设计工作仅仅完成了一半！
7.3地源侧反冲洗转换环路：根据《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005(2009年版)第4.3.17条规定，地埋管换热系统宜设置反冲洗系统。由于室外地形、构筑物制约，管道跨接等因素，水平地埋管管道不可能是整体水平的，管道坡度很难按照设计要求的坡度施工，导致末端存气，那部分区域的换热埋管由于气阻不能循环，整体换热量就会减少。部分垂直埋管底部有污物堵塞，从另外一个方向反冲，可以将污物排出，同时将水平管中的集气沿高速水流方向回到机房排除。防止地埋管系统末端集气，减少地埋管集气堵塞、污物堵塞的孔数至关重要。
7.4空调侧反冲洗转换环路：空调系统冲洗，在正向流动冲洗完成后，再转换到让系统倒流，进行反向高速冲洗，可以更高效率的将系统彻底冲洗干净。
7.5循环水泵选择：有很多循环水泵设计选择2900r/min的高速泵，噪声不能满足《声环境质量标准》GB3096-2008的基本要求，同时由于高转速叶轮局部负压引发气蚀现象，引起流量不足，水锤水击现象严重。
7.6循环水泵吸入口前的Y型过滤器：由于水泵入口口径小流速高，入口处安装过滤器的过滤效果不好，由于过滤器阻力增加，相对负压使叶轮气蚀现象严重，叶轮寿命缩短，看似正常循环的水泵，空调效果就是达不到设计要求，热泵机组也由于流量不足而故障停机。所以应在主管道上安装口径大的过滤器，增加过滤效果，延长水泵叶轮寿命。
7.7软化水箱至补水泵的吸水管管径偏小：补水泵吸水管管径偏小，再加上水箱水位低，水泵吸水段形成负压，引起水锤水击现象，不能正常补水定压。
7.8设置自来水直补地源侧、空调侧系统的补水管，在系统冲洗时，直接补充自来水(注意设置计量水表)。
7.9机房内部旁通阀设计：主要用于严寒季节、酷热季节启动热泵机组时，必须开启机房内部旁通循环环路，首先将机房内部的管道系统能够大流量循环，满足机组最小流量启动要求，同时将机房内的冷侧、热侧调试到热泵机组运行工况。在夏季：冷侧7/12℃，热测25/30℃，在冬季冷侧5/10℃，热侧45/40℃。这时热泵机组压差回油正常，建立的高压、低压状态正常，不会故障停机而连续运行，而后再缓慢的开启系统阀门，混入冷水、热水，机组持续加载不停机运转，逐步将各个系统调试达到设计运行工况。
7.10软化水箱偏小：软化水箱应满足一次将系统注满水的最小容量，在住宅区使用时还要适当扩大，因为需要补偿部分用户放水造成的连续补水增加。
下图是符合系统冲洗、系调试、方便运行管理、降低运行费的工艺流程。
各种主要功能阀门的开启顺序
|
序号 |
功能 |
开启阀门 |
关闭阀门 |
|
1 |
系统冲洗 |
V14 |
V1-V8 |
|
2 |
运行调试 |
V11 |
V13 |
|
3 |
反向运行 |
V11.V12 |
V9.V10 |
|
4 |
正向运行 |
V9.V10 |
V11.V12 |
|
5 |
冬季供热 |
V2.5.4.7 |
V1.6.3.8 |
|
6 |
夏季制冷 |
V1.6.3.8 |
V2.5.4.7 |
|
7 |
制冷调试 机房内循环 |
V1.6.3.8、10.11 |
V2.5.4.7、12.9 |
|
8 |
制热调试 机房内循环 |
V2.5.4.7、10.11 |
V1.6.3.8、12.9 |
8结束语
地源热泵系统设计从系统冲洗、系统调试、方便运行管理、降低运行费用方面进行系统流程的优化设计。设计匹配合理的地源热泵系统，可以有更高的效率、更好稳定性、更高的经济性。由于浅层土壤温度相对稳定，是一种清洁的、可再生能源。地源换热器冬季从地下取热转移到室内，夏季将室内热量又转移到地下，运行工况温度，可供冷、供暖同时提供卫生热水。地源热泵系统初投资经济，运行费用节省，一机多用，技术上先进、高效、节能、环保，工程实践上又可行、稳定可靠。符合可持续发展的绿色建筑节能要求。