地缘热泵方案Word格式文档下载.docx
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一、工程概况
本工程为黑龙江烟草工业有限责任公司"
十一·
五”哈尔滨卷烟厂易地搬迁项目,位于黑龙江省哈尔滨市松北区,拟采用太阳能-地源热泵系统环境系统为建筑物提供冬季供暖和夏季制冷,拟采用的部分为:
附房15000m2,生产管理用房及技术研发中心19844m2,后勤保障设施5623m2,共40467m2。
二、设计依据
1)甲方提出要求及规划布置图;
2)中央液态冷热源环境系统技术参数及相关配置;
3)《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-;
4)设计参数:
室外设计计算参数:
序号
项目
参数
1
地名
哈尔滨
2
台站位置
北纬
45°
41′
东经
126°
37′
海拔(m)
171.7
3
大气压力(mbar)
冬季
1001.5
夏季
985.1
4
年平均温度(℃)
3.6
5
室外计算干球温度(℃)
采暖
-26
空调
-29
通风
-20
27
30.3
空调日平均
26
平均日较差
8.3
6
夏季空调室外计算湿球温度(℃)
23.4
7
最热月平均温度(℃)
22.8
8
室外计算相对湿度(%)
冬季空调
74
最热月月平均
77
夏季通风
61
9
室外风速(m/s)
冬季平均
3.8
夏季平均
3.5
10
最大冻土深度(cm)
205
11
极端最低温度(℃)
-38.1
12
极端最高温度(℃)
36.4
13
采暖期时间
179
14
统计年份
1951~1980
三、冷热负荷计算
按面积指标估算建筑的总冷热负荷。
(1)采暖总热负荷:
QR=F·
qR/1000(kW)
式中:
F—供暖面积(m2)
qR—供暖平均面积热指标,取45W/m2;
QR=40467*45/1000=1821kW
(2)总冷负荷:
QL=F·
qL/1000*0.5(kW)
F—供冷面积(m2)
qL—供冷平均面积冷指标,取80W/m2
考虑不同用途,不同朝向的房间对空调的需求、空调峰值负荷同时出现的可能性,以及建筑用冷工况的不同,取其制冷负荷修正系数为0.5。
QL=40467*80/1000*0.5=1619kW
四、地源热泵系统的设计
1、地源热泵原理
能源问题现已成为当今世界的第一大问题,一次能源的消耗和锐减,不但使我们赖以生存的环境受到了破坏,同时也增大了使用一次能源的各种项目的运行费用。
可再生能源的开发和利用已经逐步被列为重点的发展方向。
地源热泵是利用了地表浅层地热资源作为冷热源,进行能量转换的供暖空调系统。
冬季,热量能够以一个较低的速度从地下抽取,经过热泵提升后,热量用于取暖系统中。
对于夏天的制冷作用这种系统正好反过来利用,来自建筑物热量能够回灌到地下土壤热交换器系统,以进行非常高效的空间冷却。
地源热泵供暖空调系统主要分三部分:
地下能量采集系统(地埋管土壤热交换器系统、地下水井)、能量提升系统(热泵机组等)和能量释放系统(系统末端)。
井水源热泵系统示意图
地埋管地热泵流程示意图
地埋管土壤热交换器系统:
地埋管式分为水平埋管式和竖直埋管式,由于北方地区的气候条件适用于竖直埋管方式。
竖埋管即打一定深度、一定数量的竖埋孔,每个孔内安装两对U型地埋管,所有的竖埋管经过集水管路汇集并在管道末端设置循环泵,与室内热泵机组的换热器形成一个闭式系统,经过中间介质(一般注入水或者是加入防冻剂的水)作为热载体,使中间介质在埋设于土壤内的封闭环路(地壤换热器)中循环流动,从而实现与大地土壤进行热交换的目的,从浅层土壤中获取能量输送至热泵机组冬季供暖、夏季制冷。
地下水井:
采用打水井的方式提取能量,即根据当地的地下结构和地质条件确定开口大小和打井深度,在井内安装能量提升设备,提取井水经换热器提取能量后回灌到回灌井中,地下水无浪费、无污染。
2、能量采集部分
能量采集系统是地源热泵系统的重要组成部分,它是能量提升系统能否安全、稳定、可靠、经济运行的根本保证。
经对本项目的研究和哈尔滨市对地下水资源管理的相关规定,本地源热泵系统能量采集部分初步决定采用竖埋管式地埋管。
(1)采用竖埋管热泵系统的特点:
A系统稳定,无需定时检修;
B不需要直接提取地下水和利用地下水的水量,不会对本地区地下水的平衡和地下水的品质造成影响,不受地下水使用政策和季节变化的影响,无地下水资源费;
C初投资相对较大。
(2)竖孔孔径及数量确定
经初步估算,本项目地埋管孔径及数量确定如下:
本工程共需设置竖孔570个,竖孔采用双U型管结构,井孔深为120m,竖埋孔数量根据具体项目的现场情况进行校核调整。
(3)钻机选择
根据钻机的泥浆循环方式钻机可分为:
正循环钻机和反循环钻机。
正循环钻机和反循环钻机,都是经过钻井液(泥浆)的循环进行保护钻井井壁和出渣的,即经过钻井液(泥浆)的循环,把钻孔里的钻渣带出来,它们在钻进成孔的工艺上是相同的,适用的地层也基本相同。
不同的就是钻井液(泥浆)的循环方式。
正循环钻机的钻井液(泥浆)是由泥浆泵从泥浆池里抽到钻杆里,经过钻杆不断的输送到钻井里,然后从钻井井口自然的排出来,同时把钻渣带出到地面上来。
由于它是靠钻井液(泥浆)的自然循环方式排渣,因此循环能力和排渣能力都比较弱,只能排出一部分钻渣,而且颗粒比较大的钻渣也不能排出来,钻井里残留的钻渣比较多,影响了钻进速度,钻具的磨损也比较大。
反循环钻机的钻井液(泥浆)的循环方式则正好相反,它的钻井液是用泥浆泵从钻井的井口(钻杆外面)向钻井里输送,再用压缩空气或泥浆泵,从钻杆的中间抽出来,因此循环能力和排渣能力都比较强,不但排渣比较干净,而且颗粒比较大的钻渣也能排出来,像鸡蛋大的钻渣都能排出来。
根据项目所在地的地质情况,地下结构复杂,部分地层为泥岩,泥岩为灰色泥岩,硬度较大,钻井比较困难,成井时间较长。
当采用正循环钻机钻井采用泥浆护壁时,需调泥浆稠度相对偏高,为保证灌浆的质量需将竖埋孔内的泥浆冲出,当冲出泥浆时,压力过大,容易造成砂层塌方;
如不将泥浆冲出,则泥浆稠度偏高会灌浆困难,需长时间沉淀,重复灌浆,灌浆质量得不到保障,同时对封住隔水层的效果产生影响,基于以上原因不使用正循环钻机。
根据本项目特点采用反循环钻机钻孔,反循环钻机为清水钻,成井工艺决定了竖埋孔内没有正循环产生的泥浆稠度偏高的问题,可直接进行灌浆,灌浆速度快,密实度好,并能保证封住隔水层,保证竖埋孔的换热效果
(4)孔内回填
回填工艺是回填效果好坏的重要环节,强化换热型回填材料能够大幅度提高钻井换热器的换热能力,钻井的换热能力随着回填材料导热率的增加而不断提高,但回填材料导热率并非越高越好,而是应该接近且稍高于钻井周围岩土层的导热率。
地埋管的回填材料及回填效果对地埋管的使用效果有着重要的影响,故地埋管回填后需要一个沉淀期,达到一定的密实度。
建议地埋管的施工要提前,能够和建筑物的基础工程同时进行,以保证地埋管的技术要求。
(5)经过现场踏查,建设区域自然地坪不平整,并需回填,考虑到科学施工、节约成本的原则,建议在场地回填前钻孔。
3、地埋管部分热平衡问题的解决措施
哈尔滨属于严寒地区,冬季寒冷漫长,土壤平均温度在8°
C左右,冬季供暖时间长,机组从地下土壤中取得热量多,而夏季空调时间短,机组向地下排放的热量偏少,长期运行,土壤温度会逐年下降;
冬夏负荷的不平衡对土壤温度场恢复是极为不利的,长期运行后若土壤温度过低,将严重影响土壤源热泵系统的性能,机组效率会逐年降低,因此对于严寒地区的土壤源热泵系统,应重点考虑长期运行后土壤温度场的变化情况。
措施
(1):
引入太阳能季节蓄热解决平衡
由于本工程需要部分热水供应,可使用清洁能源太阳能热水供应。
由于太阳能集热量随季节变化而变化,夏季产热量多,而冬季产热量少。
为此,将传统的土壤源热泵系统和太阳能集热系统相结合,收集非采暖季节的太阳能或空气中的热能,并经过土壤换热器储存到自然的土壤中,冬季再利用热泵将热量提取出来为建筑物供暖。
这种季节性的土壤蓄热,不但能够恢复和提高土壤温度,而且还能将非采暖季节丰富的太阳能转移到冬季使用,有效的增加了太阳能作为可再生能源热利用的范围,土壤温度场能够得到及时恢复,从而使热泵运行稳定,有效提高热泵供暖的COP。
原理图如下:
辐射地板
Ⅳ
供暖房间
太阳能集热器
膨胀水箱
Ⅶ
I
土壤换热器
Ⅱ
Ⅲ
热泵机组
P
板式
换热器
15
16
17
18
19
20
阀门
调速水泵
温度测点
压力表
集气罐
定压水箱
夏季空调
措施
(2):
引入空气中的能量季节蓄热解决平衡
根据甲方提供的资料,本项目二期工程中由于通风空调系统中使用新风较多,夏天空调负荷较大,可考虑将这部分热量释放到地下储存,以平衡冬季向地下释放的冷量,保证系统的长期有效运行。
(3)能量提升系统
依据上述冷热负荷及地源热泵系统技术参数,机房主要配置如下表。
设备名称
设备参数
(单台)
数量
电功率
(kW)
备注
能量提升器
Qr=973kW
Ql=942kW
Qr=208kW
QL=176kW
主机
末端循环泵
Q=360m3/hH=32m
55kW
二次循环泵
Q=360m3/hH=16m
22kW
一次循环泵
板式换热器
BR80-140
全自动软水器
3.0~4.0m3/h
补水箱
2600*2200*
V=8m3
定压罐
DN800
补