地源热泵系统的具体应用

文章通过地源热泵系统在武汉某典型工程的具体应用,详细介绍地源热泵系统地构成、工作原理、优缺点以及与传统空调运行费用的差别,从而为地源热泵系统的广泛应用提供参考。

一、项目简介

整个项目由生产厂房区、生活服务区、办公区组成,总建筑面积约为150000m2,其中空调区域由综合办公楼、生产办公楼、研究所、餐厅、更衣室等附属用房组成,建筑面积为23000m2,此外还供应1000人规模的洗浴用水。采用土-气型地源热泵空调系统,不仅可以解决夏季制冷、冬季供暖的问题,而且还可以供应水温在55℃左右的生活热水。该套系统高效节能、运行成本费用低、投资合理、绿色环保。

二、地源热泵空调系统详述

此地源热泵系统,采用垂直式地耦埋管+冷却塔混合式系统。夏季由两台土壤热泵主机承担基本的冷负荷,用水冷冷水机组调节峰值负荷,散热量由地耦管+冷却塔共同实现(冷却塔仅仅在极端情况地耦管能力不足时投入使用);冬季由热泵主机承担热负荷,冷水机组不运行,负荷全部由地耦管提供;同时兼顾全年用生活洗浴热水。整个系统由室外换热系统和室内换热系统两部分组成,室外换热系统根据当地地质条件采用垂直式地埋管换热方式;室内换热系统为地源热泵机组换热系统。

根据实地所做的土壤热响应测试实验得出当地10米以下均为灰岩,土壤的平均导热系数较高,达到3.068W/(m*K),非常适合应用地源热泵技术。室外换热为两管制垂直式地耦管换热方式,施工250个深度为100米的地耦管孔,每个地耦孔内埋设双U型地耦管;地耦管总长100000米。250个地耦孔分为25组,平均每10个孔为一组。二次集管将每组内的10个地耦孔串联起来再接到位于机房内的分、集水器上。这样,在降低施工成本的同时可以最大程度上减少每个组对整个系统的影响。本方案将地耦孔就近施工在建筑物的周边空地(道路、绿地、停车场),可以有效的减少二次集管长度,降低成本。室外地耦系统注满水后形成一个封闭的水循环,利用水的循环和地下土壤换热,将能量在空调室内和地下土壤之间进行转换。其系统稳定,不需要利用地下水的水量,不受地下水使用政策和季节变化影响,不会对本地区地下水的平衡和地下水的品质造成任何影响。

三、设计施工要点分析

(一)设计要点

地源热泵系统地耦管的计算是比较复杂,需要专业的计算软件来完成。在计算上对建筑物全年动态负荷进行优化是很有必要的。在此项目中,初始设计中的地耦管长度为310000米,这使得工程初投资增加将近100万元。项目所在地的全年气候状况,制冷/制暖的周期以及每日的工作时间是在进行计算中需要注意的要点。

(二)施工要点

保证地耦管孔的深度,地耦管的长度符合设计要求是施工中的重点。打孔过程中不可避免出现孔深不达标,废孔的情况,这会导致地耦管长度不够,出水温度偏高/低(夏/冬季),机组耗电量增大。此外灌浆也是需要关注的重点。灌浆材料为膨润土和原浆的混合体,灌浆采用加压回灌方式,保证密实,孔内无空腔。

四、能量消耗对比

从两种系统名义功率分别比较年运行费用,即传统水冷冷水机组+锅炉和地源热泵模式。由表1可知地源热泵相比传统空调在运行费用方面的有着巨大优势,主要体现在两个方面:一是地源热泵的COP值高,其中制冷时COP值高可达到5.6,制热时COP值高可达到5.2;二是可以夜间制造生活热水,利用波峰波谷的电价政策降低运行费用。

五、优缺点评价

第一,地源热泵技术是直接转换成冷、热风,为房间制冷或供暖,其技术含量和节能效率高。第二,采用PE管道埋设的地耦管,具有高可靠、寿命长(70年以上)、免维修、运行成本低等特点,不受开采地下水的限制,节省了水资源使用费。第三,夏季利用主机排放的余热加热生活热水,无需耗电、耗油;冬季机组既制热又提供热水,其热水费用与太阳能热水器费用相当。第四,系统初投资大,成本回收周期长。第五,地耦管维修困难。

六、结束语

当今社会,环境污染和能源危机已成为威胁人类生存的头等大事,节能与环保应是我国优先解决的课题,而地源热泵技术运用到建筑物采暖空调中是理想的节能环保型空调技术。