深井回灌式水源热泵空调系统设计探讨水源热泵技术的发展动态.docx
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深井回灌式水源热泵空调系统设计探讨水源热泵技术的发展动态.docx
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深井回灌式水源热泵空调系统设计探讨水源热泵技术的发展动态
1.1水源热泵技术的发展动态
水源热泵技术作为一种有益于环境保护和可持续发展的冷热源形式,已经引起了国内外建设单位、设计单位、房地产商和生产厂商以及公众的广泛兴趣,"水源热泵"作为一个新兴的名词,越来越广泛的被人们谈及。
一、国外水源热泵发展情况
关于水源热泵的研究分属于两种热泵系统:
一种为地源热泵,一种为海水热泵。
其中地源热泵真正意义的商业应用也只有近十几年的历史,但发展相当迅速。
如美国,截止1985年全国共有14,000台地源热泵,而1997年就安装了45,000台,到目前为止已安装了600,000台,而且每年以10%的速度稳步增长。
1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%,其中新建筑中占30%。
美国地源热泵工业已经成立了由美国能源环境研究中心(Energy&EnvironMentalResearchCenter)、美国地下水资源联合会(NationalGroundWaterAssociation)、爱迪生电力研究所(EdisonElectricInstitute)及众多地源热泵制造设计销售公司以及政府机构和建筑商等146家成员组成的美国地源热泵协会,该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、研究和推广工作。
美国计划到2001年达到每年安装40万台地源热泵的目标,其中,水源热泵占15%,届时将降低温室气体排放1百万吨,相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植树1百万英亩,年节约能源费用达4.2亿美元,此后,每年节约能源费用再增加1.7亿美元。
美国水源热泵的制造厂商有著名的公司有AddisonProductsCompany、AdvancedGeotherMalTechnology、CarrierCorporation、ClimateMasterInc.、EconarEnergySystemsCorporation、FHPManufacturing、MamMothInc.、TheTraneCompany、WaterFurnaceInternational等公司。
美国的水源热泵的研究和应用更偏重用于住宅和商业小型系统(20RT以下),多采用水-空气系统,如大家熟知的TRANE等推出的产品。
在大型建筑方面,美国推行WLHP系统,即水环热泵系统。
其地源热泵领域的主要发展参见(图1-1)。
与美国的地源热泵发展有所不同,中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源,地下土壤埋盘管(埋深<400米深)的地源热泵,用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。
据1999年的统计,为家用的供热装置中,地源热泵所占比例,瑞士为96%,奥地利为38%,丹麦为27%。
同时,中、北欧海水源热泵的研究和应用也比较多。
图1-1美国地源热泵发展情况表
二、国内水源热泵发展情况
中国最早在50年代,就曾在上海、天津等地尝试夏取冬灌的方式抽取地下水制冷,天津大学热能研究所吕灿仁教授就开展了我国热泵的最早研究,1965年研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。
目前,国内的清华大学、天津大学、重庆建筑大学、天津商学院、中国科学院广州能源研究所等多家大学和研究机构都在对水源热泵进行研究。
其中清华大学在多工况水源热泵经过多年的研究已形成产业化的成果,已建成数个示范工程。
国内的水源热泵制造厂商中北京金万众空调制冷设备有限责任公司、清华同方人工环境设备公司、山东海阳富尔达是比较早的水源热泵制造厂家。
中国的水源热泵的研究和应用时间不长,与国外相比,在热泵机组空调系统优化设计和工程应用上(主要是系统节水节能方面和地下水回灌方面)还存在一定差距。
2004年上半年,由北京金万众空调公司、清华同方人工环境公司等几家公司参与起草的《水源热泵空调机组国家标准》正式颁布,标志着中国国内的水源热泵利用已经进入了一个全新的阶段。
目前,世界特别看好中国的市场。
美国能源部和中国科技部于1997年11月签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书,其中主要内容之一是“地源热泵”,该项目拟在中国的北京、杭州和广州3个城市各建一座采用地源热泵供暖空调的商业建筑,以推广运用这种“绿色技术”,缓解中国对煤炭和石油的依赖程度,从而达到能源资源多元化的目的。
2000年6月19日至23日在北京由国家科学技术部高新技术开发与产业化司召开了中美地热泵技术交流会,会议的主题就是“提供运用地热泵技术为住宅小区或公用楼宇采暖制冷,大幅降低运行费用的节能解决方案”的主题。
在未来的几年中,中国面临着巨大的能源压力。
一方面,中国的经济要保持较高速度的增长,另一方面,又必须考虑环保和可持续发展问题。
所以要求提高能源利用效率,要求能源结构调整。
能源利用效率提高,会鼓励各种节能设备和技术的推广,能源结构调整的方向就是从以煤为主转为以燃气,直至以电为主。
以北京为例,近年来改善空气质量的压力很大,尤其是冬季供暖燃煤的排放和汽车尾气是影响空气质量的两大因素,相信北方地区其它城市也同样面临这一压力。
在中国的能源消耗中,建筑耗能的比例相当高。
为了适应市场要求和参加国际竞争,我们必须加快中国品牌的水源热泵的产业化研究开发。
1.2水源热泵概念、原理及归类
一、水源热泵概念
水源热泵技术是一种利用地球表面或浅层水源(如地下水、河流和湖泊),或者是人工再生水源(工业废水、地热尾水等)的低温低位热能资源,采用热泵原理,通过少量的高位电能输入,实现低位热能向高位热能转移,既可供热又可制冷的高效、环保、节能的空调系统。
二、水源热泵原理
地球表面浅层水源(一般在1000米以内),像地下水、地表的河流、湖泊和海洋中,吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量,并且水源的温度一般都十分稳定。
水源热泵技术的工作原理就是:
在夏季将建筑物中的热量“取”出来,释放到水体中去,由于水源温度低,所以可以高效地带走热量,以达到夏季给建筑物室内制冷的目的;而冬季,则是通过水源热泵机组,从水源中“提取”热能,送到建筑物中采暖。
通常水源热泵消耗1kW的能量,用户可以得到4kW以上的热量或冷量。
三、水源热泵的归类
从学术角度来说,当利用的对象都是水体和地层(含水地层)蓄能,而且都是以水作为热泵机组的冷热源供给载体时,都可以将之归类为水源热泵系统。
根据ASHRAEHandbook:
HVACApplications.(1995)的分类,将地热能资源按温度范围不同分为三类,其中地源热泵应用类包括了水源热泵的两种方式:
地下水源和地表水源热泵。
下面对于四种地源热泵应用方式作出相应的介绍:
(请见下页)
GroundwaterheatpuMps,GWHPs
地下水热泵系统,也就是通常所说的深井回灌式水源热泵系统。
通过建造抽水井群将地下水抽出,通过二次换热或直接送至水源热泵机组,经提取热量或释放热量后,由回灌井群灌回地下。
Surface-waterheatpuMps,SWHPs
地表水热泵系统。
通过直接抽取或者间接换热的方式,利用包括江水、河水、湖水、水库水以及海水作为热泵冷热源。
归属于水源热泵方式。
(a)Horizontalground-coupledheatpuMp
水平埋管地源热泵系统
(b)Verticalboreholeground-coupledheatpuMp垂直埋管地源热泵系统
(a)和(b)两种方式都归属于Ground-coupleheatpumpsGCHPs(地下耦合热泵系统),也称埋管式土壤源热泵系统。
还有另外一个术语叫Groundheatexchanger地下热交换器地源热泵系统。
这一闭式系统方式,通过中间介质(通常为水或者是加入防冻剂的水)作为热载体,使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动,从而实现与大地土壤进行热交换的目的。
但是这两种形式的埋管工程较为麻烦,同时热源土壤面积(a)或埋管的深度(b)要求较大。
所以这种形式在国内应用较少。
StandingcoluMnwellheatpuMps,SCW单井换热热井,也就是单管型垂直埋管地源热泵,在国外常称为"热井"。
这种方式下,在地下水位以上用钢套作为护套,直径和孔径一致;地下水位以下为自然孔洞,不加任何固井设施。
热泵机组出水直接在孔洞上部进入,其中一部分在地下水位以下进入周边岩土换热,其余部分在边壁处与岩土换热。
换热后的流体在孔洞底部通过埋至底部的回水管被抽取作为热泵机组供水。
这一方式主要应用于岩石地层,典型孔径为150MM,孔深450M。
另外,水源热泵中的地下水源热泵方式也可以归类于地下季节性蓄能应用领域。
北欧及中欧部分国家倡导利用浅层地热以及地下蓄能为建筑物提供冬夏季供暖及空调,这些国家更为关注地下季节性蓄能应用,作出了右图所示的分类。
从原理上来说,含水层蓄能应用领域与深井回灌式水源热泵方式具有很多相同之处,两者涉及的系统地下部分的施工工艺、设计原则以及相关的理论大致相同。
北欧及中欧部分国家对于含水层蓄能的应用研究的许多成果都可以加以借鉴,应用于深井回灌式水源热泵方式的相关应用和研究。
综上所述,水源热泵可以归属为地源热泵的两个分支:
地下水源热泵以及地表水源热泵;也可以归属为地下季节性蓄能应用与热泵技术的结合应用。
但是需要强调的是,不同应用方式的分类,是为了让人们更为便捷的去了解或推广应用某种技术,而实际上各种不同的分类之间可能存在一定的交集。
以季节性地下蓄能方式为例,其冷热源提供可以为天然冷热源,例如将冬季室外的降雪或冷水回灌入蓄冷井群,夏季抽取被蓄存的冷水作为空调的冷源,夏季将温度较高的地表水回灌入蓄热井群,冬季抽取被蓄存的热水作为空调预热的热源;而当采用热泵机组作为冷热源的提供时,也就是说冬季将热泵机组出口的冷水回灌入蓄冷井群,而夏季将热泵机组出口的热水回灌入蓄热井群,这一方式也可以归类为典型的深井回灌式水源热泵方式。
本篇论文主要对国内最为常用的深井回灌式水源热泵空调系统进行探讨。
第一章:
水源热泵技术概述
1.1水源热泵技术的发展动态
1.2水源热泵概念、原理及归类
1.3水源热泵技术的特点
1.3.1水源热泵使用的优点
1.3.2水源热泵使用的限制因素
第二章:
水源热泵系统介绍
2.1水源热泵空调系统工作原理
2.2水源热泵空调机组工作原理
2.3水源系统
2.3.1水源热泵系统对地质水源的要求
2.3.2水源热泵系统对水井的要求
2.3.3水源热泵系统对设备的要求
2.3.4水源热泵系统对井水回灌的要求
第三章:
北京金万众空调公司水源热泵空调系统应用介绍
3.1金万众空调公司水源热泵机组介绍
3.2金万众公司水源热泵系统解决方案
3.2.1常规的水源热泵系统方案
3.2.2金万众公司在水源热泵系统解决方案上的专利技术应用
3.3某工程水源热泵空调系统设计与经济性分析
3.4金万众公司水源热泵应用实例介绍
第四章:
水源热泵空调系统在我国的发展前景
参考文献
1.3.1水源热泵使用的优点
基于水源热泵是利用地表水作为空调制冷、制热的源的使用原理,所以水源热泵技术具有下列优点:
一、属可再生能源利用技术
水源热泵是利用了地球表面或浅层水源作为冷热源,进行能量转换的供暖空调系统。
地球表面水源和土壤是一个巨大的太阳能集热器,收集了太阳到达地面47%的太阳能量,比人类每年利用能量的500倍还多。
水源热泵技术利用储存于地表浅层近乎无限的可再生能源,为人们提供供暖空调,当之无愧的成为可再生能源一种形式。
同时水源热泵技术利用地下水以及地表水源的过程当中,不会引起区域性的地下以及地表水污染。
实际上,水源热泵技术为可再生能源和清洁能源技术,水源水经过热泵机组后,只是交换了热量,水质几乎没有发生变化,经回灌至地层或重新排入地表水体后,几乎不会造成对于原有水源的污染。
可以说水源热泵是一种清洁能源方式。
二、属经济有效的节能技术
地球表面或浅层水源的温度一年四季相对稳定,一般为10~25℃,冬季比环境空气温度高,热泵循环的蒸发温度提高,能效比也提高;夏季比环境空气温度低,制冷的冷凝温度降低使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式,机组效率提高。
一般情况下,水源热泵的制冷、制热系数可达3.5~5.5。
某厂家热泵机组供热制冷性能曲线
与锅炉(电、燃料)供热系统相比,锅炉供热只能将90%以上的电能或70~90%的燃料内能转化为热量,供用户使用。
与传统的空气源热泵相比,空气源热泵的制冷、制热系数通常为2.2~3.0,,而且在冬季环境温度过低时,空气源热泵将无法工作;水源热泵方式的能量利用效率要比空气源热泵高出40%以上。
三、系统运行、稳定可靠
地球表面或浅层水源一年四季温度较恒定,其波动的范围远远小于空气的变动。
使得水源热泵机组运行更可靠、稳定,也保证了系统的高效性和经济性。
不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。
四、环境效益显著
水源热泵和其它电制冷式的中央空调机组一样,都需要电能作为驱动能源。
电能本身为一种清洁的能源,但在发电时,消耗一次能源并导致污染物和二氧化碳温室气体的排放。
所以对于电制冷式的中央空调机组而言,能效比的高低便间接的反映了该空调系统环境污染程度。
水源热泵是一种高能效比(能效比3.5~5.5)的节能设备,环境污染程度与空气源热泵相比,相当于减少40%以上,与电供暖相比,相当于减少70%以上,如果结合其它节能措施节能减排会更明显。
虽然也采用制冷剂,但比常规空调装置减少25%的充灌量;属自含式系统,即该装置能在工厂车间内事先整装密封好,因此,制冷剂泄漏机率大为减少。
五、一机多用,应用范围广
水源热泵系统可实现供暖、空调,供生活热水三联供,一机多用,一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。
特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物,水源热泵有着明显的优点。
不仅节省了大量能源,而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求,减少了设备的初投资。
水源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑,小型的水源热泵更适合于别墅住宅的采暖、空调。
六、自动运行
水源热泵机组由于工况稳定,所以可以设计简单的系统,部件较少,机组运行简单可靠,维护费用低;自动控制程度高,使用寿命长可达到15年以上。
摘要
第一章:
水源热泵技术概述
1.1水源热泵技术的发展动态
1.2水源热泵概念、原理及归类
1.3水源热泵技术的特点
1.3.1水源热泵使用的优点
1.3.2水源热泵使用的限制因素
第二章:
水源热泵系统介绍
2.1水源热泵空调系统工作原理
2.2水源热泵空调机组工作原理
2.3水源系统
2.3.1水源热泵系统对地质水源的要求
2.3.2水源热泵系统对水井的要求
2.3.3水源热泵系统对设备的要求
2.3.4水源热泵系统对井水回灌的要求
第三章:
北京金万众空调公司水源热泵空调系统应用介绍
3.1金万众空调公司水源热泵机组介绍
3.2金万众公司水源热泵系统解决方案
3.2.1常规的水源热泵系统方案
3.2.2金万众公司在水源热泵系统解决方案上的专利技术应用
3.3某工程水源热泵空调系统设计与经济性分析
3.4金万众公司水源热泵应用实例介绍
第四章:
水源热泵空调系统在我国的发展前景
参考文献
1.3.2水源热泵使用的限制因素
当然,基于水源热泵的应用原理,同时也就产生了水源热泵使用的一些限制因素:
一、可利用的水源条件限制
水源热泵理论上可以利用一切的水资源,然而在实际工程中,不同的水资源利用的成本差异是相当大的。
所以在不同的地区是否有合适的水源成为水源热泵应用的一个关键。
目前的水源热泵利用方式中,闭式系统一般成本较高。
而开式系统,能否寻找到合适的水源就成为使用水源热泵的限制条件。
对开式系统,水源要求必须满足一定的温度、水量和清洁度。
二、水层的地理结构的限制
对于从地下抽水回灌的使用,必须考虑到使用地的地质结构,确保可以在经济条件下打井找到合适的水源,同时还应当考虑当地的地质和土壤的条件,保证使用后的地下水回灌可以实现。
三、投资的经济性
由于受到不同地区、不同用户及国家能源政策、燃料价格的影响,水源的基本条件的不同;一次性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同。
虽然总体来说,水源热泵的运行效率较高、费用较低。
但与传统的空调制冷取暖方式相比,在不同地区不同需求的条件下,水源热泵的投资经济性会有所不同。
2.1水源热泵空调系统工作原理
一、水源热泵空调系统的主要组成部分
1、水源热泵空调机组。
该部分是整个水源热泵空调系统的核心部分,机组通过消耗少量的电能,夏季产出冷冻水送进空调房间给房间供冷;冬季产出热水送进供暖房间给房间供暖。
2、水源系统。
水源系统主要是指从水源热泵机组到取水终端的所有设备及管路系统。
对于深井回灌式水源热泵空调系统而言,水源系统主要指取水井、回灌井以及从水井到水源热泵机组之间的辅助设备和管线;而对于河流、湖泊式水源热泵空调系统而言,水源部分主要指河流、湖泊较稳定的适合水源热泵使用的水体,以及从水源到水源热泵机组之间的辅助设备和管线。
3、建筑物室内的空调末端热交换设备。
此部分为整个水源热泵空调系统实现空调供暖的终端设备,水源热泵机组制得的冷水和热水最终通过该部分实现给建筑物空调或供暖。
二、水源热泵空调系统的运行原理
(一)运行原理图(见下页)说明
“Ⅰ”表示:
水源热泵空调机组。
其中的“Ⅴ”表示水源热泵机组中的冷凝器部件,“Ⅵ”表示水源热泵机组中的蒸发器部件。
“Ⅱ”表示:
水井(取水井和回灌井)。
“Ⅲ”表示:
水—水换热器。
“Ⅳ”表示:
需要供冷供暖的建筑物。
“①②③④⑤⑥⑦⑧”均表示两通阀。
(二)系统运行原理
•
夏季:
①、②、⑦、⑧阀关闭,③、④、⑤、⑥阀开启。
如下图。
左边水井潜水泵开启,经换热器Ⅲ后,温度升高,然后经右边水井回灌至地下。
从水源热泵机组的冷凝器Ⅴ出来的高温水(28℃左右)经由阀门④,再经换热器Ⅲ与井水换热,得到较低温度的水源(18℃左右)再经过阀门③进入水源热泵机组的冷凝器。
完成冷却放热循环。
蒸发器Ⅵ制得的冷水(7℃左右的冷冻水)经阀门⑤进入建筑物室内的末端设备(换热设备)给室内供冷,从末端设备出来的较高温度(12℃左右)的热水再经阀门⑥回到蒸发器,完成蒸发供冷循环。
在水源热泵空调系统工作时,以上三个循环同时进行,完成系统的空调供冷任务。
•
冬季:
③、④、⑤、⑥阀关闭,①、②、⑦、⑧阀开启。
如右图。
右边水井潜水泵开启,经换热器Ⅲ后,温度降低(6℃左右),然后经左边水井回灌至地下。
从水源热泵机组的蒸发器Ⅵ出来的低温水(7℃左右)经由阀门⑦,再经换热器Ⅲ与井水换热,得到较高温度的水源(14℃左右)再经过阀门⑧进入水源热泵机组的蒸发器。
完成蒸发吸热循环。
冷凝器Ⅴ制得的热水(45-50℃左右)经阀门②进入建筑物室内的末端设备(换热设备)给室内供暖,从末端设备出来的较低温度(40℃左右)的水再经阀门①回到冷凝器,完成冷凝放热循环。
在水源热泵空调系统(制热)工作时,以上三个循环同时进行,完成系统的供暖任务。
摘要
第一章:
水源热泵技术概述
1.1水源热泵技术的发展动态
1.2水源热泵概念、原理及归类
1.3水源热泵技术的特点
1.3.1水源热泵使用的优点
1.3.2水源热泵使用的限制因素
第二章:
水源热泵系统介绍
2.1水源热泵空调系统工作原理
2.2水源热泵空调机组工作原理
2.3水源系统
2.3.1水源热泵系统对地质水源的要求
2.3.2水源热泵系统对水井的要求
2.3.3水源热泵系统对设备的要求
2.3.4水源热泵系统对井水回灌的要求
第三章:
北京金万众空调公司水源热泵空调系统应用介绍
3.1金万众空调公司水源热泵机组介绍
3.2金万众公司水源热泵系统解决方案
3.2.1常规的水源热泵系统方案
3.2.2金万众公司在水源热泵系统解决方案上的专利技术应用
3.3某工程水源热泵空调系统设计与经济性分析
3.4金万众公司水源热泵应用实例介绍
第四章:
水源热泵空调系统在我国的发展前景
参考文献
2.2水源热泵空调机组工作原理
一、水源热泵空调机组主要部件
水源热泵空调机组和其它电制冷式空调机组的制冷、制热基本原理相同。
其主要部件为:
压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器。
参见下图:
《水源热泵空调机组原理图》
二、机组工作循环原理
①从压缩机开始,制冷工质(如氟里昂R22)在压缩机中经过压缩后,变为高温高压的气体,②经过冷凝器冷却后,变成低温(温度一般在40-60℃之间)高压的液体,③低温高压的液态氟里昂经过膨胀阀,通过节流作用,从膨胀阀出来的氟立昂压力和温度进一步降低,④再流经蒸发器,氟立昂蒸发吸热变为气体,再回到压缩机。
完成一个制冷压缩循环。
三、水源热泵供冷、供暖运行原理
•夏季:
冷凝器一侧:
(如前水源热泵空调系统运行原理所讲)将从深井取出的低温水(一般在14-20℃之间),直接(或者是与深井低温水换热后的冷水)通过水泵送入冷凝器,如图从进水口1进入,低温水在冷凝器中与高温高压的氟立昂进行热交换,把氟立昂的热量带走,降低氟立昂的温度。
得到热量后温度升高的水源从冷凝器出水口1出来回灌至地下(或者再次与地下水换热,得到低温冷水)。
完成一次冷却过程/循环。
蒸发器一侧:
用户端循环水进入蒸发器,如图从进水口2进入,蒸发器中氟立昂蒸发吸热,带走水中的热量,使循环水温度降低(按国家标准一般降至7℃),冷冻水经过水泵做功送至用户端,达到制冷的效果。
•冬季:
冷凝器一侧:
通过外管路切换,用户端循环水进入冷凝器,如图从进水口1进入,低温水(约40℃左右)在冷凝器中与高温高压的氟立昂进行热交换,把氟立昂的热量带走,降低氟立昂的温度。
得到热量后用户端管路水温度升高,热水(一般在40-60℃之间)再经过水泵做功送至用户端,给建筑物供暖。
蒸发器一侧:
将从深井取出的低温水(一般在14-20℃之间),直接(或者是与深井低温水换热后的冷水)通过水泵送入蒸发器,如图从进水口2进入,蒸发其中氟立昂蒸发吸热,带走水中的热量,使井水温度降低(一般可以降至7℃),然后从出水口2出来回灌至地下(或者再次与地下水换热,得到较高温度的水源)。
完成一次取热过程/循环。
摘要
第一章:
水源热泵技术概述
1.1水源热泵技术的发展动态
1.2水源热泵概念、原理及归类
1.3水源热泵技术的特点
1.3.1水源热泵使用的优点
1.3.2水源热泵使用的限制因素
第二章:
水源热泵系统介绍
2.1
- 配套讲稿:
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- 深井 回灌式 水源 空调 系统 设计 探讨 技术 发展 动态