地源热泵与地板辐射采暖的联合应用中级论文.docx
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地源热泵与地板辐射采暖的联合应用中级论文
申报论文
(中级)
题目:
地源热泵与地板辐射采暖技术的联合应用
单位:
大兴区建设工程质量监督站
姓名:
聂春雷
申报专业:
制冷
2013年6月20日
摘要
近年来,随着能源和环境的问题日益严重,在满足人们健康、舒适要求的前提下,如何合理利用能源、保护环境、节能减排、降低能耗已成为二十一世纪人们迫切需要解决的焦点问题。
中国国民经济和社会发展第十二个五年规划,确定了节能减排的目标和任务,推进建筑节能减排是完成这个目标和任务的重要内容之一。
正是在政府大力提倡“节能与减排”的大旗下,地源热泵技术及地板辐射技术在我国正如火如茶地得到应用和推广。
地源热泵与地板辐射联合技术将成为二十一世纪既节能又环保,以及舒适卫生的最为活跃和最为有效的供暖方式。
通过分析热泵和低温地板采暖的换热原理和结构形式,提出联合应用具有节能、环保、简单、稳定”和地板辐射“舒适卫生、不占用室内使用面积、便于分户计量”等诸方面的技术优势。
结合具体工程实例对工程现场勘测和热泵土壤换热器的设计选型、布置方式和管道长度进行了计算分析。
同时对低温热水地板采暖的施工工艺和管道布置方式进行了分析和比较。
最后对联合运行的效果进行了说明。
关键词:
热泵低温热水地板采暖联合应用
摘要………………………………………………………………….…..….........Ⅰ
绪论……………………………………………………………………………….1
一、技术原理………………………………………………………..….………….…2
1、地源热泵技术原理………………………………………….……………..…….2
2、低温热水地板采暖技术原理……………………………...….………………..2
3、联合应用技术原理.………….……………..……………………….…………….2
二、技术优势……….…………………………..……………………………………..3
三、工程设计………….………………..…………………….………………………4
结论………………….…………………………………….………………………..9
参考文献……………….………………………………...…………………………..10
附录………………….………………………………………………………….....11
绪论
近年来,随着能源和环境的问题日益严重,在满足人们健康、舒适要求的前提下,如何合理利用能源、保护环境、节能减排、降低能耗已成为21世纪人们迫切需要解决的焦点问题。
中国国民经济和社会发展第十二个五年规划,确定了节能减排的目标和任务,推进建筑节能减排是完成这个目标和任务的重要内容之一。
地源热泵技术在热源应用方面具有较高的能效比,运行工况稳定,对环境影响小。
地板辐射采暖对热源温度要求低,舒适性和节能方面相对于传统采暖方式具有优势,把地源热泵与地板采暖技术联合应用,对于建筑节能减排具有积极作用,当前这种联合应用技术正在被逐渐接受。
本文对地源热泵与地板辐射联合应用进行分析和研究,为这一技术的应用提供支持,有利于该技术在工程设计、施工中的应用。
一、技术原理
1、地源热泵技术原理
地源热泵是利用了地球土壤和水体所储藏的太阳能资源作为夏季冷源和冬季热源,然后再由热泵机组向建筑物供暖、供冷的系统,是一种利用可再生能源的既可供暖又可供冷的新型高效节能装置。
2、低温热水地板采暖技术原理
低温热水地面辐射供暖技术最早源于20世纪30年代北欧的供暖系统,其原理是通过铺设在建筑物内部地板的加热管内循环流动的40~60℃低温热水,加热整个地板,使地板表面温度上升至25~29℃左右,然后通过辐射和自然对流方式向室内散热。
该方式具有舒适性强,不占用室内面积等优点,受到人们的喜爱。
地源热泵的出水温度正好满足低温热水地面辐射供暖系统温度不高于60℃的要求,不需增加换热设备,减少投资,这也是二者相结合的优势所在。
3、联合应用技术原理
地源热泵联合地板辐射供暖系统包括室外地源能换热系统、热泵机组及建筑物内地板辐射换热盘管系统。
其中,室外地源换热系统与热泵机组依靠循环介质传递热量,热泵机组与地板辐射换热盘管系统通过水和空气传递热量,实现建筑物的供暖。
图1地源热泵与地板辐射供暖系统原理图
1-室外地源能换热器;2-循环水泵;3-冷凝器;4-换向阀;5-压缩机;6-蒸发器;7-膨胀阀;8-分(集)水器;9-地板辐射换热盘管;10-通风系统
如图1所示,在冬季供暖时,热泵机组内的压缩机对冷媒做功,使其进行汽-液转化的循环。
在供暖状态下,系统由地源能环路吸收室外土壤或水体中的热量,再通过冷凝器内冷媒的蒸发,将水路循环中的热量吸收至冷媒中,在冷媒循环的同时再通过蒸发器内冷媒的冷凝,由地板辐射换热盘管循环将冷媒所携带的热量吸收。
室外地源能在这样不断地转移至室内的过程中,以50℃左右的低温热水形式向建筑物室内供暖。
二、技术优势
地源热泵与地板辐射联合供暖系统综合了地源热泵“节能、环保、简单、稳定”和地板辐射“舒适卫生、不占用室内使用面积、便于分户计量”等诸方面的技术优势。
1、节能
该系统综合了地源热泵、地板辐射及易实现分户计量,可谓“三管齐下”,节能效果非常显著。
地源热泵利用土壤或水体温度冬季为12-22℃,温度比环境空气温度高,热泵循环的蒸发温度提高,能效比也提高。
由于地板辐射供暖方式存在辐射和自然对流的综合作用,对室内供暖形式有较适合的温度分布和辐射作用,因此在相同的热感觉前提下,室内设计温度供暖可降低2℃左右,较其他传统的房间供暖方式相比可节能l0%~30%。
通过上述各项数据表明,采用地源热泵与地板辐射联合供暖方式,较传统方式可达到综合节能30%以上。
2、环保
采取地源热泵以清洁的电能为动力,省去了锅炉,系统运行无任何污染,极大地改善了环境,属可再生利用的清洁能源。
3、舒适卫生
地板辐射供暖可减少四周表面对人体的冷辐射,且地板温度均匀、室内由下而上递减,形成均匀且下温上凉的舒适温度场,符合中医学中“温足凉头”的健身理论,具有很好的舒适感和保健功能。
4、热稳定性好,不受室外气候限制
空气源热泵的主要缺点是在夏季高温和冬季低温时的效率大大降低,尤其在东北地区的冬季,室外气温很低,想使用空气源热泵是不现实的,而地源热泵的土壤温度相对平稳,尤其是垂直埋管,地下一定深度一年四季保持十几度恒温,即使在严寒的冬季也可平稳高效运行。
另外,采取地板辐射供暖,由于受地面和混凝土层的蓄热作用,以及辐射引起四周表面的蓄热,即使在间歇供暖的条件下,室内温度的变化缓慢。
5、易于实现分户计量
地板辐射供暖为每户相对独立系统,易于实现分户计量和收费,能较好地适应供热方式的变革,有利于公平、合理和按需供求,促进行为节能。
6、一机多用,占地少
地源热泵与地面辐射联合供暖方式可同时实现对建筑物供暖、供冷,地源热泵还可以提供生活热水,可谓一机多用。
另外,采取地源热泵代替了锅炉、冷水机组和冷却塔等,机房占地面积小,可设在地下室,又采用地板辐射供暖取消了散热器及其立、支管,不仅美观和增加了室内使用面积,而且便于室内装修和物具布置,美观大方。
7、使用寿命长
地源热泵与地板辐射所用换热管多采用耐高温、高压、抗老化、易弯曲的PEX、PPR、PB、XPAP等塑料管道,具有耐腐蚀、抗老化、成本低,地面下无接口、不易结垢、阻力小等优点,一般塑料管道使用寿命均可达50年以上。
三、工程设计
本文以北京市大兴区某别墅小区供暖系统应用情况为例,采用地源热泵与地板辐射采暖系统联合的设计。
该别墅区位于北京市城市发展的南部地区,按城市总体规划,该小区处在城市的外延。
由于无市政供热设施,加上热泵具有多项优点,所以该小区设计使用地源热泵系统,末端采暖系统形式为低温热水地面辐射采暖。
1、现场勘测
现场勘测,对于地源热泵系统十分重要。
在决定使用地源热泵之前,建设和勘察设计单位等相关部门对现场地质情况进行了准确详实的了解。
该类项目实施受工程场区内地质、水文地质条件影响较大,主要影响因素有:
地层结构、岩土体热物性参数等地层条件;地下水含水层的分布、静水位、流速等水文地质条件;地温、水质等物理化学特性。
根据工程惯例,对任何地点适应性的评估都应充分考虑当地地质的状况,包括松散土层在自然状态和负载后的密度,含水土层在负载后的状况,岩石层岩床的结构等。
根据地质勘察报告,对地源热泵系统进行了评估。
这些在工作开始时对当地情况进行的鉴定,能够确保设计期间避免遇到潜在的复杂的问题,同时设计部门也需要上述资料,以便选择最合适的钻孔和挖掘设备,并且可以节约大量时间和经费。
2、采暖负荷设计
该别墅建筑面积为366m2,根据《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019—2003要求,北京地区采暖室外计算温度为-9℃,室内设计温度为18℃,其单位面积冷负荷按100W/m2,单位面积热负荷按85W/m2,总体冷负荷为36.6kW,总体热负荷为31.1kW。
根据总体冷热负荷选用某型号地源模块冷热水机组,制冷量为38kW;制热量为32kW。
3、土壤换热器的选型
(1)确定埋管形式[1]
地源热泵的技术核心是土壤源换热器,采用何种形式的地下埋管来实现能量的转换是十分重要的,埋管的设计、布管形式、换热管材、施工技术等关系到地源热泵系统能否正常高效运行的关键。
目前普遍采用的有垂直U形埋管和水平U形埋管两种基本的配置形式。
水平埋管是在浅层土壤中挖沟渠,将PE或PB管水平的埋置于沟渠中,并填埋的施工工艺;垂直埋管是在地层中垂直钻孔,然后将地下热交换器以一定的方式置于孔中,并在孔中注入填充材料的施工工艺。
如图2-1、2-2所示:
图2-1水平埋管图2-2垂直埋管
由于受到场地限制,该项目采用U型垂直埋管方式。
(2)换热管材料的选择
换热器长期埋于地下工作,要求材料是耐腐蚀、寿命长,其次要求其换热效率高,目前国内使用较多的材料是高密度聚乙烯和聚丁烯管,在该项目中,选用的地埋管材质为高密度聚乙烯管PE100,管径为32mm,壁厚2.9mm,钻孔孔径为150mm。
(3)换热器长度的确认
根据公式
(1)进行土壤换热量的计算:
kw
(1)
—冬季从浅层地表吸收的热量,kW
—冬季设计总热负荷,kW
—设计工况下水-水热泵机组的供热系数
依据冬季采暖热负荷的参考数据,选取热泵供热系数
为2.712计算,计算出换热量。
根据公式
(2)计算地下换热管道长度:
m
(2)
—地埋管长度m
—单位长度地埋管换热量w/m
根据文献[2]推荐
=59.389w/m来计算地埋换热器的长度,则系统的换热埋管长度为540米,根据每钻孔的深度为80米,则每栋别墅需三个钻孔即可。
4、地板辐射供暖系统设计
(1)设计参数的确定
低温地板辐射采暖地面平均温度根据其所处位置确定[3],见表1
表1地表面平均温度(℃)
区域特征
适宜范围
最高现值
人员经常停留区
24-26
28
人员短期停留区
28-30
32
无人停留区
35-40
42
计算全面地面辐射供暖系统的热负荷时,室内计算温度的取值应比对流采暖系统的室内计算温度低2℃,或取对流采暖系统计算总热负荷的90%~95%。
单位地面面积所需的散热量计算公式(3):
(3)
式中:
—单位地面面积所需的散热量w/m
—房间所需的地面散热量w
—敷设加热管的地面面积m2
地面温度与供暖水温、管道间距及埋深有关系,见表2
表2地面温度与管道间距、发热量的关系
管道间距(mm)
供水温度(℃)
地面温度(℃)
发热量(w/m2)
150
50
31.1
127.8
150
60
37
203.4
150
70
39.5
232.5
(2)地板辐射供暖施工工艺
低温地板供暖的施工工艺的通常做法如下:
楼板结构层做完后应对楼面进行找平,然后进行防水处理,铺设30mm厚的保温材料聚苯乙烯或挤塑保温板和真空镀铝聚脂薄膜或玻璃布基铝箔反射层,上面固定网络≤200mm的钢丝网,以便固定加热盘管,钢丝网应满布房间,拼接处用铁丝绑扎连接,钢丝网铺设在铝箔反射膜表面,在钢丝网上绑扎加热盘管或发热线。
敷设完毕,热水管道试压和发热线绝缘摇测试验合格后,即可用40—50mm厚的豆石混凝土覆盖。
地面装修时,严禁用重锤敲击豆石混凝土层或用钉子之类的尖锐物质钉入豆石混凝土层内,以防损坏埋地管道和发热线。
低温地板辐射采暖系统的地面结构,宜由基层(楼板或与土壤相邻的地面)、找平层、隔热层和防水层(上部敷设加热管)、伸缩缝、填充层(豆石混凝土)和地面层组成,如图3-1所示。
图3-1
(3)低温地板辐射采暖布置形式
低温地板辐射采暖与普通散热器采暖的区别在于:
普通的散热器采暖是使散热器周围的空气加热,被加热的空气通过对流方式将热量传给四周围护结构,使地板、墙体、顶棚的温度升高,虽然散热器同时也对围护结构有热辐射,但由于热辐射面小,热辐射换热量相对较少;而地板辐射采暖是以整个地面为散热面,在地板加热周围空气的同时,还向四周的顶棚、墙体等进行辐射换热,从而使周围的围护结构表面温度升高。
热水式地板采暖布置形式可分为串联式和并联式[48],串联式又分为(a)蛇型(b)回字型(c)往复型,如图3-2、3-3所示。
图3-2图3-3
由图可见,串联平行布管式(图3-2a)是用单根管道平行排成蛇形,辐射板表面平均温度沿水的流程逐步均匀降低;图3-3c蛇形布管式是供水管和回水管并列平排成蛇形,辐射板表面的温度在小面积上波动较大,平均温度分布比较均匀;图3-3b回型盘管是供水管和回水管并列排成螺旋形,辐射板表面平均温度也是沿水的流程波动的。
三种布管形式在表面温度的分布和波动情况不同。
相比之下,回形布管温度分布还比较均匀。
结论
地源热泵与低温热水地板供暖的组合形式,在实际应用中还处于发展阶段,地源热泵系统的关键在土壤换热器的设计和施工,应根据地质条件、气候原因、建筑物类别和系统经济性多方面进行考虑。
低温地板采暖系统采用回形布置,室内温度分布均匀,温度波动小,舒适性好。
从节能和环保的角度考虑,地源热泵与低温热水地板供暖的组合形式还是有广阔的发展前景。
参考文献
[1]地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005北京中国建筑工业出版社2005
[2]张开黎,垂直埋管土壤源热泵的供冷供热研究【D】,青岛建筑工程学院,硕士学位论文2000
[3]地面辐射供暖技术规程JGJ142-2004北京中国建筑工业出版社2004
附录
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- 源热泵 地板 辐射 采暖 联合 应用 中级 论文