地源热泵空调系统设计培训教程

,EK,水地源热泵系统,目录,一、地热能交换系统简介,二、水源热泵机组的选择,三、空调负荷计算,四、地下换热系统的设计,五、中央空调水系统设计,一、 地热能交换系统简介,1.,地埋管,主要的地热能交换系统形式,1.1,水平埋管,1.2,垂直埋管,2.,地表水,3.,地下水,1.,地埋管,1.1,水平埋管,优点：,室外施工费用相对较低,缺点：,室外占地面积较大,一般适用于小型的而且具有足够占地面积的地方。,1.,地埋管,1.2,垂直埋管,优点：,运行与维护费用低,占地面积较小,冬季无需辅助热源,不产生任何污染,节能效果明显,缺点：,初投资费用稍高,优点：,运行与维护费用低,无需占用土地,室外施工费用低,冬季无需辅助热源,不产生任何污染,缺点：,需临近较大面积水域,系统效率低于其他方式,与其他地源热泵系统的比较：,2.,地表水,优点：,运行与维护费用低,室外施工费用较低,冬季无需辅助热源,无需占地，受建筑周围环境影响小,不产生任何污染,换热效率高，节能效果明显,缺点：,打井受政策限制,系统易受地下水源状况影响,与其他地源热泵系统的比较：,3.,地下水,二、 地源热泵机组的选择,EK,水（地）源热泵机组型式,1.EKSC,水源螺杆机组,2.EKWD,水,-,水机组,3.EKWSWH,水,-,风机组,EKSC,水源螺杆机组,特点与适用场合,单机冷量大，效率高，可以分段调节或无级调节，可用于夏季制冷冬季制热。适用于影剧院、酒店、办公楼、商场等大型场所,.,。,注,:,地下水式可采用大温差小流量设计。,R22,制冷量：,95530RT,R134a,制冷量：,80400RT,EKWD,水,-,水机组,特点与适用场合,机组主要优点是结构紧凑、体积小、重量轻、运行平稳、管理方便,.,而且采用模块化设计，可以进行自动增卸载调节能量。,具有热回收功能，可提供免费生活热水。,其全热回收型机组，,具有制冷，制热，制冷,+,热水，,制热,+,热水，热水五种模式，,真正“一机三用”功能。,主要用于中、小型宾馆、办公、医院、药厂,、,等场所,.,制冷量：,20480RT,EKWS/WH,水,-,风机组,特点与适用场合,方便独立计费，免除物业管理纠纷,各户独立操作，实现自由制、制热，达到传达四管效果,具有回收建筑物内余热功能,系统具有灵活的扩展能力,系统布置紧凑、灵活,省掉中央机房，减低公共部分管道的占用空间,无需一次投入主机，分散投资压力,主要办公楼、商场、宾馆、医院等场所,.,制冷量：,0.835HP,制冷量：,0.86HP,三、负荷计算,空调负荷估算指标,摘自,暖通空调,.,动力,在没有掌握具体空调房间的面积、性质、使用对象等情况下，仅知道整个建筑的面积，可通过建筑面积来估算确定空调负荷。,按建筑面积估算,注：,1.,上述指标为总建筑面积的冷负荷指标,建筑物总面积小于,5000m,2,时,取上限值,.,大于,10000m,2,时,取下限值,.,2.,按照上述指标确定的冷负荷,即是制冷机容量,不必再加系数,.,3.,博物馆可参考图书馆,展览馆可参考商店,.,其他建筑物可参考类似的建筑,.,4.,由于地区差异较大,上述指标以北京地区为准,.,南方地区可按上限采取,.,5.,全年用空气调节系统冬季负荷可按下述方法估算,:,北京地区为夏季冷负荷的,1.1,1.2,倍,广州地区为夏季冷负荷的,1/3,1/4.,空调负荷估算指标,在需要进行工程方案的初步设计与报价时,可通过下表对空调负荷进行估算，以下为部分,EK,常用单位面积空调负荷估算指标。,按空调面积估算,顺序,建筑类型与房间名称,冷负荷指标（,w/m,2,）,1,旅,游,旅,馆,客房（标准层）,120160,2,西餐厅、咖啡厅,200250,3,酒吧,250300,4,中餐厅、宴会厅,会议室,大,350,以上,5,中,300350,6,小,200250,7,中厅、接待室、商店、小卖部,200,8,理发、美容,180200,9,健身房、保龄球,100200,10,弹子房、棋牌室,180,11,室内游泳池,200320,12,办公室,一般,120180,13,领导,200,14,舞厅、夜总会,250400,15,商场、百货大楼,首层,350,16,二层,300,17,三层与以上,250,空调负荷估算指标,顺序,建筑类型与房间名称,冷负荷指标（,w/m,2,）,18,医,院,病房,110160,19,一般手术室,180250,20,洁净手术室,300500,21,X,光、,CT,、,B,超诊断,150200,22,影,剧,院,观众席,200400,23,休息厅,180250,24,化妆室,160200,25,体,育,馆,比赛馆,200350,26,休息厅,180250,27,贵宾室,200,28,展览厅、陈列室,130200,29,图书阅览,120160,30,科研、办公,160200,31,公寓、住宅,120200,空调负荷估算指标,以下为,技术措施,部分具有代表性的单位面积空调负荷估算指标。,摘自,暖通空调,动力,按空调面积估算,空调负荷详细计算,在做施工设计时，必须进行详细的负荷计算，且详细的负荷计算有利于准确确定空调的初投资和保证良好的运行效果。所以详细的负荷计算在设计时是非常有必要的。空调负荷详细计算通常由以下几部分组成：,通过围护结构传入的热量,透过外窗进入的太阳辐射热量,人体散热量,照明散热量,设备等其他内部热源的散热量,食品或物料的散热量,渗透空气带入的热量,伴随各种散湿过程产生的潜热量,空调负荷,四、地下换热系统设计,地下换热系统设计,一、浅层地下水源热泵系统,1,、概述,形式：,同井抽灌、异井抽灌,目前的项目多采用异井抽灌,适用范围：,地下水文地质条件比较好区域的项目,设计时应遵循的原则：,地下水换热系统应根据水文地质勘察资料进行设计。,必须采取可靠的回灌措施，使抽取的地下水能够全部回灌，且不将受污染的水与未受污染的水混采和混灌。,地下水的持续出水量应满足水源热泵系统最大吸热量或放热量的要求。,(1),收集地质、水文地质资料,首先应收集项目地的地质、水文地质资料，结合项目负荷情况以与场地条件，初步判定是否能采用该系统。,规模较大、没有水井资料的项目，在设计前应钻试验水井，评价单井的出水能力和回灌能力。,2,、设计程序与思路,地下换热器的负荷与建筑物的供热、制冷与供生活热水的设计负荷有关，其换热量应满足系统正常运行工况时的最大吸热量或最大放热量的要求，计算公式如下：,最大放热量,Q1=,建筑冷负荷,(1+1/EER) (1),最大吸热量,Q2=,建筑热负荷,(1-1/COP) (2),（注：,COP,为机组制热性能系数，,EER,为热泵机组制冷性能系数，机组,COP,值与工况有关，在计算时应考虑地下水温度和末端形式。）,得出最大吸热量与最大放热量相当时，应分别计算供热、制冷工况下所需地下水量，并取其大者；当两者相差较大时，根据项目规模，可采用辅助设备调峰解决，使系统更经济合理。,(2),计算地下换热器的负荷,(3),水量的确定,根据供暖制冷工况下，水环路的最大放热量和最大吸热量计算。初步估算流量时的可参照如下公式进行：,a,、夏季制冷工况下：,q,1,=3600Q,1,/c,p,(t,2,-t,1,) (3),式中：,q,1,为夏季制冷时所需地下水量,(m,3,/h),；,Q,1,为夏季设计工况时换热器最大换热量,(kw),，据公式,(1),求得；,为水的密度,(kg/m3),，可取,1000kg/m3,；,c,p,为水的定压比热容，可取,4.18kJ/(kg),；,t,1,为进入机组换热器的地下水温度,(),；,t,2,为出换热器的地下水温度,(),。,代入值公式简化为：,q,1,=Q,1,/1.163 (t,2,-t,1,),例题,某建筑夏季总冷负荷,500Kw,，机组,EER,为,5.0,，根据（,1,）式计算,Q,1,500,（,1+1/5,）,600(Kw),最大需水量计算为,(,温差为,11),：,q,1,600/,（,1.16311,）,46.9(m,3,/h),该建筑物热泵系统夏季需地下水最大抽水量为,46.9m,3,/h,。,b,、冬季供暖工况下：,q,2,=3600Q,2,/ c,p,(t,1,-t,2,) (4),式中：,q,2,为采暖时所需地下水量,(m,3,/h),；,Q,2,为冬季设计工况时需要提取的热量,(kw),，据公式,(2),求得；,为水的密度,(kg/m3),，可取,1000kg/m3,；,c,p,为水的定压比热容，可取,4.19kJ/(kg),；,t,1,为进入机组换热器的地下水温度,(),；,t,2,为出换热器的地下水温度,(),。,代入值公式简化为：,q,2,=Q,2,/1.163 (t,1,-t,2,),例题：,某建筑物冬季热负荷,500Kw,，机组,COP,值,4.0,，根据（,2,）式计算,Q,2,500,（,1-1/4.0,）,375(Kw),最大需水量计算为,(,计算温差为,7),：,q,2,375/,（,1.1637,）,46.1(m,3,/h),该建筑物热泵系统冬季需要地下水最大循环量为,46.1m,3,/h,。,由公式,(3),、,(4),计算地下水流量，取较大值,46.9m,3,/h,作为所需要的地下水流量。,(4),井深的选择,抽灌水井的深度主要由项目所在地的,水文地质条件,、,取水层位,决定；,水井的深度一般在,100m,左右，否则会导钻打井成本的升高。,如果地下水位埋深较浅，浅部有较好的含水层，如单层厚度大于,5m,的粗砂以上地层，也可以减少井深只取上部含水层的水，井深可在,5060m,之间。,(5),井径和井管,井的直径可以为,500800mm,，井管直径一般为,300500mm,，一开到底。井管可选焊接管或卷焊管，也可选铸铁管，不宜用水泥管，因为其使用寿命短。滤水管可用打孔外缠丝钢管或桥式滤水管。,(6),滤水管的位置,钻孔后应进行电阻率和自然电位或自然伽玛测井，根据测井曲线解释的含水层位置决定排管方案。,一般取水井水位以下,15,或,20m,之内不应下滤水管，一是考虑动水位的下降，二是考虑留出潜水泵的长度和位置，避免抽空和进水口距滤水段太近（应大于,2m,）。井内其它滤水管的位置要视含水层的分布情况而定，一般选井内较厚的、颗粒较粗的,23,层为主力水层。粉细砂和较薄的水层（,12m,）不宜保留，以免造成出砂等后患。,专用的回灌井应下有回扬泵，其它要求同抽水井。,(7),井数的考虑,要用较少的井完成需要的取水量，单井的出水能力以,5m,降深考虑。由系统所需最大水量除以单井出水量得到抽水井数。,回灌井数量应根据各地水文地质条件确定，一般应等于或多于抽水井数量。,根据水源热泵供暖的特点，可以采用适当提高利用温差的方法减少地下水的用量。提高利用温差的方法有多机组串联用水和单机混水法或板换隔离法。,(8),其它,井间距：井间距应根据各地水文地质条件确定，一般不小于,50,米；,水平连接管：目前的设计中一般都将每眼水井均设计为可抽灌互用型，在水平连接管的设计上一般都采用双管路系统，通过阀门的切换实现水井功能的转换。,在项目实施时，每眼水井在完井后均应做抽水试验和回灌试验，结合试验数据对设计做进一步校正。,第二节 地下换热系统设计,二、地埋管热泵系统,1,、概述,形式：,水平埋管、,垂直埋管,水平埋管因占地面积大、受气候影响大等缺点，目前应用较少。而竖直埋管因其占地少、工作性能稳定等优点，已成为工程应用中的主导形式。,优点：,（,1,）,不依赖地下水，适应区比较广。,（,2,）该系统不抽取地下水，不干扰地下水管理。,（,3,）换热层位多，适用范围大，热储量较大。,（,4,）系统运行维护工作少。,缺点：,（,1,）通过管壁传导换热，而管内外的温差一般不大，因此，需要较大的换热面积，从而造成系统初投资较大。,（,2,）随着机组负荷的变化，管中水的温度不稳定，造成工况不稳定和热量损失，在极端天气条件下机组的性能系数较低。,（,3,）与地下水换热系统比运行费用稍高。,适用范围与优缺点,（与浅层地下水源热泵相比）,设计时应遵循的原则：,地埋管换热系统应根据地质、水文地质勘察资料以与土壤的热物性参数进行设计。,地埋管换热器的换热量应满足地源热泵系统最大吸热量或放热量的要求。,(1),工程勘查，地层热物性测试,在系统的设计初期，应对工程场地进行工程地质勘查，,包括,岩土体热物性、岩土体温度随深度和季节的变化、地下水分布情况与动态特征、冻土层厚度的勘查。,如项目所在地区有岩土体热物性参数时，可直接应用，否则应采用现场热响应法进行测试。,2,、设计程序与思路,热响应测试原理：将地埋管换热器与加热,/,制冷设备（测试仪器）连接，通过向地下输入热量，模拟夏季制冷工况；通过向地下输入冷量，模拟冬季采暖工况。在向地下输入冷、热量的同时，不断记录进出管的温度和流量，来计算地层的换热能力（地层导热系数,K,、单位延米换热孔换热量,w/m),热响应测试的方法：,恒热流测试法,可控工况测试法,热（冷）响应测试车原理简图,热响应测试,(2),计算地下换热器的负荷,负荷与建筑物的供热、制冷与供生活热水的设计负荷与系统运行所需要的能量负荷有关。换热器的换热量应满足系统正常运行工况时的最大吸热量或最大放热量的要求，计算公式同,(1),、,(2),。,地埋管换热器需要,510,的换热温差，冬季取热时管内液体的平均温度比地层温度低,5,10,，夏天可高,10,20,，以管内设计温度确定机组的,COP,值。,计算得出最大吸热量与最大释热量相当时，应分别计算供热、制冷工况下换热器埋管的长度，并取其大者；当两者相差较大时，根据项目规模，宜采用辅助设备调峰解决，使系统更经济合理。,(3),地埋管换热器埋管形式的选择,埋管形式可以分为如下几种：,水平埋管,垂直埋管,单,U,型,双,U,型,(,比单,U,提高,15%,的换热量,),垂直埋管布孔形式,等间距布孔（正方形布孔）,梅花型布孔（等边三角形布孔）,(4),埋管长度的确定,根据计算的负荷、岩土层热物性参数、所选的地理管形式与热泵参数，通过软件模拟的方法，计算得出埋管总长度。,目前实际工程中，常利用单位埋管深度的换热量来计算换热管的长度，一般垂直埋管的单位深度换热量为,30,70W/m(,利用温差为,10,15),之间，放热大于吸热。该数据需要通过热响应测试获得。,埋管长度可按如下公式计算：,L=1000Q,max,/ql (5),式中：,L,为埋管换热器总长,(m),；,ql,为最大利用温差的每米换热功率,(W/m),，一般由接近实际工况的现场换热试验取得；,Q,max,为夏季向埋管换热器排放的最大功率与冬季从埋管换热器吸收的最大功率中的较大值,(KW),上述计算地埋管换热器管长的方法，适用于最大吸热量与最大放热量相差不大的工程，设计长度选两者中较大的。,如两者相差较大，宜用较小值确定管道的长度，两者相差的负荷采用辅助设备的方式解决，如增加冷却塔或辅助热源。这样一方面减少工程量，降低初投资；另一方面也可减少因吸热与放热不平衡引起岩土体温度的持续变化的可能性。,(5),孔深、孔径、孔数、孔间距的确定,换热孔深度的确定：,结合现场的地质条件与钻机的经济钻进深度，一般基岩地层钻进深度不超过,120,米，第四系地层一般不超过,150,米。,结合现场可布设换热孔的面积，面积大则选择的余地大，面积小则选择的余地小。,换热孔直径的确定：,结合现场的地质条件，一般第四系地层，尤其是粘土含量大、缩径严重地层换热孔的直径会比较大；一般基岩地层换热孔的孔径相对较小。,结合布管形式，一般双,U,型比单,U,型的孔径大。,第四系地层一般在,180300mm,之间，基岩地层一般在,100-180,之间。,换热孔数量的确定：,N=L/H,式中：,N,为钻井数,(,个,),；,L,需要的换热孔的总长,(m),；,H,为换热孔单孔深度,(m),；,换热孔间距的确定：,场地条件：场地有限可适当减小间距。,热干扰半径：地层导热性好，热传递快，单个换热孔的换热能力高，热扩散半径大，孔间距大；相反则小。,施工成孔率：目前换热孔施工的钻机的控斜能力不强，换热孔很容易倾斜，当孔间距较小时，容易造成穿孔。换热孔深度大，间距可适当加大，相反则小。,应综合考虑以上三方面因素，确定换热孔的间距，一般在,37,米之间。,换热管选择,换热管材料和规格：主要有,PE80,和,PE100,两种材料的管材，垂直管一般采用,SDR11,系列的管材，水平连接管一般采用,SDR17,系列的管材,换热管直径：垂直埋管双,U,型一般采用,D25,与,D32,的,PE,管，单,U,型的一般采用,D40,的,PE,管；,水平连接管的直径根据管内流量进行选择。,孔深、孔间距、孔数、管材等要综合考虑，使其既能满足现场条件的要求，又能满足系统对换热孔冷、热量的需求。,(6),确定流速,加大流速可以增强换热，但过快的流速会增大管道沿程阻力损失，增大水泵的用电消耗。,根据地埋管换热器的布置形式和采用的换热液特征，应使换热液处于紊流状态，流态形式主要通过雷诺数,Re,来进行判断：,Re2000,为层流,2000Re4000,为紊流,Re,具体计算过程,（,1,）确定通过管道的流量,Qv(m,3,/h),、管子公称直径和液体特性；根据公称直径，确定管子的内径,Di(m),。,（,2,）计算管子的断面面积,A(m,2,),。,（,3,）计算流速,(m/s),，,=Qv/3600A,。,（,4,）计算液体的雷诺数,Re,，,Re=Di/,一般，,D32,双,U,型管路流量取,1,2m,3,/h,，流速,0.26,0.53m/s,，雷诺数,Re 519510389,(7),环路形式的选择,各个换热孔之间有串联和并联两种连接方式,串联,方式：几个换热孔之间串联成一个流动通道。该种方式主要用于换热孔深度较浅，单孔换热量小，单孔进出口温差小的系统中，如桩基埋管。,并联,方式：钻孔间以并联形式连接，用于换热孔深度较深，单孔进出口温差不太小的系统，为常用方式。,水平连接管的连接方式分为同程式和异程式系统。,同程式系统：传热介质流经各埋管的流程相同，因此各埋管的流动阻力、流量和换热量比较均匀。为了保持系统环路间的水力平衡，在实际工程中多采用同程式系统。,(8),确定换热介质,在低纬度南方地区，由于地下岩土体温度较高，因此多采用水作为换热介质。,在中高纬度北方地区，地下岩土体的温度较低，冬季取热工况下，需要加入防冻液。可采用的有盐类溶液，如氯化钙和氯化钠水溶液；乙二醇水溶液；酒精水溶液等。但以乙二醇水溶液居多。,采用防冻液可增大管内流体与土壤的传热温差，增强换热，减少换热孔数量，但会降低机组的效率，增大运行电费。应慎用。,第二节 地下换热系统设计,三、监测系统,（有条件的项目）,1,、浅层地下水源热泵,定期取水样，对水质进行监测；,对抽水井、回灌井的抽灌水量和水位进行监测。,2,、埋管式地源热泵系统,埋设温度传感器，对地温场进行长期监测,五、,热泵机房与末端系统设计,热泵机房与末端系统设计,一、机房系统,1,、系统配置上,单一系统,对于冷热负荷差别不大，规模较小的系统,复合式系统,对于规模较大的系统，或冷热负荷相差较大，可能引起冷热不平衡而造成地温场持续升高或降低的项目。,可采用的复合式系统一般有：锅炉冬季采暖调峰、冷水机组,+,冷却塔夏季制冷调峰、冰蓄冷夏季日间制冷调峰。,2,、系统的可调控性,系统的可调控性直接关系到系统的节能性,热泵机组的台数：对于,500KW,以上的项目，最好选择,2,台或以上，在部分负荷运行时，可以达到节能，减少大马拉小车的现象,水泵变频、或采用二级泵系统、或水泵与热泵机组联动等，可减少水泵的电耗。,3,、水源热泵系统注意除砂,对机组的磨损,对回灌井的堵塞,二、末端系统,1,、系统供水温度,冬季供水温度一般在,45-50,左右；,夏季供水温度一般在,7,左右,2,、适合的末端形式,地板辐射采暖、风机盘管、顶棚辐射等方式，不适合采用散热器采暖,