地緣熱泵方案8.12

PAGEPAGE1哈爾濱卷煙廠易地搬遷項目地源熱泵系統(tǒng)初步設計方案及經(jīng)濟運行分析哈工大——龍冶新能源研究應用中心2010-8-12前言1、淺層地熱是清潔能源地表淺層地熱資源可以稱之為地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地熱能而蘊藏的低溫低位熱能。地表淺層是一個巨大的儲能器，經(jīng)過太陽能及地心能在較長時間的平衡，使地球淺層形成一個隨地域變化而溫度變化的恒溫層。它真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層的清潔能源可以近似的看做可再生能源的一種形式。2、地源熱泵系統(tǒng)是是高效的節(jié)能技術地源熱泵是利用淺層地熱的蓄能特點進行供熱、制冷的新型能源利用技術。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。通常地源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。地源熱泵是利用了地下土壤巨大的蓄熱蓄冷能力,冬季地源系統(tǒng)把熱量從地下土壤中轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi),夏季再把地下的冷量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi),一個年度形成一個冷熱循環(huán)。地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運行效率要高40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運行費用40%左右。3、地熱供暖環(huán)境效益顯著地源熱泵系統(tǒng)由于利用淺層土壤的儲能特性進行制冷或供暖，即夏季提取土壤中的冷量并向地下排放熱量，冬季提取土壤中的熱量并向地下排放冷量，無燃燒，故無排放物，無污染物，無廢棄物。4、一機多用，應用范圍廣地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)，適合于無集中供熱區(qū)域的冬季供暖和夏季制冷。同時一套系統(tǒng)也減少了兩套系統(tǒng)的系統(tǒng)維修維護風險和費用。一、工程概況本工程為黑龍江煙草工業(yè)有限責任公司"十一·五”哈爾濱卷煙廠易地搬遷項目，位于黑龍江省哈爾濱市松北區(qū)，擬采用太陽能-地源熱泵系統(tǒng)環(huán)境系統(tǒng)為建筑物提供冬季供暖和夏季制冷，擬采用的部分為：附房15000m2，生產(chǎn)管理用房及技術研發(fā)中心19844m2，后勤保障設施5623m2，共40467m2。確定開口大小和打井深度，在井內(nèi)安裝能量提升設備，提取井水經(jīng)換熱器提取能量后回灌到回灌井中，地下水無浪費、無污染。2、能量采集部分能量采集系統(tǒng)是地源熱泵系統(tǒng)的重要組成部分，它是能量提升系統(tǒng)能否安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟運行的根本保證。經(jīng)對本項目的研究和哈爾濱市對地下水資源管理的相關規(guī)定，本地源熱泵系統(tǒng)能量采集部分初步?jīng)Q定采用豎埋管式地埋管。（1）采用豎埋管熱泵系統(tǒng)的特點：A系統(tǒng)穩(wěn)定，無需定時檢修；B不需要直接提取地下水和利用地下水的水量，不會對本地區(qū)地下水的平衡和地下水的品質(zhì)造成影響，不受地下水使用政策和季節(jié)變化的影響，無地下水資源費；C初投資相對較大。(2)豎孔孔徑及數(shù)量確定經(jīng)初步估算，本項目地埋管孔徑及數(shù)量確定如下：本工程共需設置豎孔570個，豎孔采用雙U型管結(jié)構，井孔深為120m，豎埋孔數(shù)量根據(jù)具體項目的現(xiàn)場情況進行校核調(diào)整。（3）鉆機選擇根據(jù)鉆機的泥漿循環(huán)方式鉆機可分為：正循環(huán)鉆機和反循環(huán)鉆機。正循環(huán)鉆機和反循環(huán)鉆機，都是通過鉆井液(泥漿)的循環(huán)進行保護鉆井井壁和出渣的，即通過鉆井液(泥漿)的循環(huán)，把鉆孔里的鉆渣帶出來，它們在鉆進成孔的工藝上是相同的，適用的地層也基本相同。不同的就是鉆井液(泥漿)的循環(huán)方式。正循環(huán)鉆機的鉆井液(泥漿)是由泥漿泵從泥漿池里抽到鉆桿里，通過鉆桿不斷的輸送到鉆井里，然后從鉆井井口自然的排出來，同時把鉆渣帶出到地面上來。由于它是靠鉆井液(泥漿)的自然循環(huán)方式排渣，所以循環(huán)能力和排渣能力都比較弱，只能排出一部分鉆渣，而且顆粒比較大的鉆渣也不能排出來，鉆井里殘留的鉆渣比較多，影響了鉆進速度，鉆具的磨損也比較大。

反循環(huán)鉆機的鉆井液(泥漿)的循環(huán)方式則正好相反，它的鉆井液是用泥漿泵從鉆井的井口(鉆桿外面)向鉆井里輸送，再用壓縮空氣或泥漿泵，從鉆桿的中間抽出來，所以循環(huán)能力和排渣能力都比較強，不但排渣比較干凈，而且顆粒比較大的鉆渣也能排出來，像雞蛋大的鉆渣都能排出來。根據(jù)項目所在地的地質(zhì)情況，地下結(jié)構復雜，部分地層為泥巖，泥巖為灰色泥巖，硬度較大，鉆井比較困難，成井時間較長。當采用正循環(huán)鉆機鉆井采用泥漿護壁時，需調(diào)泥漿稠度相對偏高，為保證灌漿的質(zhì)量需將豎埋孔內(nèi)的泥漿沖出，當沖出泥漿時，壓力過大，容易造成砂層塌方；如不將泥漿沖出，則泥漿稠度偏高會灌漿困難，需長時間沉淀，反復灌漿，灌漿質(zhì)量得不到保障，同時對封住隔水層的效果產(chǎn)生影響，基于以上原因不使用正循環(huán)鉆機。根據(jù)本項目特點采用反循環(huán)鉆機鉆孔，反循環(huán)鉆機為清水鉆，成井工藝決定了豎埋孔內(nèi)沒有正循環(huán)產(chǎn)生的泥漿稠度偏高的問題，可直接進行灌漿，灌漿速度快，密實度好，并能保證封住隔水層，保證豎埋孔的換熱效果（4）孔內(nèi)回填回填工藝是回填效果好壞的重要環(huán)節(jié)，強化換熱型回填材料可以大幅度提高鉆井換熱器的換熱能力，鉆井的換熱能力隨著回填材料導熱率的增加而不斷提高，但回填材料導熱率并非越高越好，而是應該接近且稍高于鉆井周圍巖土層的導熱率。地埋管的回填材料及回填效果對地埋管的使用效果有著重要的影響，故地埋管回填后需要一個沉淀期，達到一定的密實度。建議地埋管的施工要提前，可以和建筑物的基礎工程同時進行，以保證地埋管的技術要求。（5）經(jīng)過現(xiàn)場踏查，建設區(qū)域自然地坪不平整，并需回填，考慮到科學施工、節(jié)約成本的原則，建議在場地回填前鉆孔。3、地埋管部分熱平衡問題的解決措施哈爾濱屬于嚴寒地區(qū)，冬季寒冷漫長，土壤平均溫度在8°C左右，冬季供暖時間長，機組從地下土壤中取得熱量多，而夏季空調(diào)時間短，機組向地下排放的熱量偏少，長期運行，土壤溫度會逐年下降；冬夏負荷的不平衡對土壤溫度場恢復是極為不利的，長期運行后若土壤溫度過低，將嚴重影響土壤源熱泵系統(tǒng)的性能，機組效率會逐年降低,因此對于嚴寒地區(qū)的土壤源熱泵系統(tǒng)，應重點考慮長期運行后土壤溫度場的變化情況。措施（1）：引入太陽能季節(jié)蓄熱解決平衡由于本工程需要部分熱水供應，可使用清潔能源太陽能熱水供應。由于太陽能集熱量隨季節(jié)變化而變化，夏季產(chǎn)熱量多，而冬季產(chǎn)熱量少。為此，將傳統(tǒng)的土壤源熱泵系統(tǒng)和太陽能集熱系統(tǒng)相結(jié)合，收集非采暖季節(jié)的太陽能或空氣中的熱能，并通過土壤換熱器儲存到自然的土壤中，冬季再利用熱泵將熱量提取出來為建筑物供暖。這種季節(jié)性的土壤蓄熱，不僅可以恢復和提高土壤溫度，而且還能將非采暖季節(jié)豐富的太陽能轉(zhuǎn)移到冬季使用，有效的增加了太陽能作為可再生能源熱利用的范圍，土壤溫度場能夠得到及時恢復，從而使熱泵運行穩(wěn)定，有效提高熱泵供暖的COP。原理圖如下：輻射地板輻射地板Ⅳ供暖房間太陽能集熱器膨脹水箱ⅦI土壤換熱器ⅡⅢ熱泵機組P1P3P2板式換熱器1234567891213141011151617181920閥門調(diào)速水泵溫度測點壓力表集氣罐定壓水箱夏季空調(diào)措施（2）：引入空氣中的能量季節(jié)蓄熱解決平衡根據(jù)甲方提供的資料，本項目二期工程中由于通風空調(diào)系統(tǒng)中使用新風較多，夏天空調(diào)負荷較大，可考慮將這部分熱量釋放到地下儲存，以平衡冬季向地下釋放的冷量，保證系統(tǒng)的長期有效運行。原理圖如下：（3）能量提升系統(tǒng)依據(jù)上述冷熱負荷及地源熱泵系統(tǒng)技術參數(shù)，機房主要配置如下表。序號設備名稱設備參數(shù)（單臺）數(shù)量電功率（kW）備注1能量提升器Qr=973kWQl=942kW2Qr=208kWQL=176kW主機2末端循環(huán)泵Q=360m3/hH=32m155kW3二次循環(huán)泵Q=360m3/hH=16m122kW4一次循環(huán)泵Q=360m3/hH=32m155kW5板式換熱器BR80-14016全自動軟水器3.0~4.0m3/h17補水箱2600*2200*20001V=8m38定壓罐D(zhuǎn)N80019補水泵Q=3.2m3/hH=32m12.2機組向末端提供50/45℃的熱水，根據(jù)需要可設備用機組一臺。（4）能量釋放系統(tǒng)供暖時熱泵的出水溫度在45℃左右，考慮到系統(tǒng)運行效率和用戶運行費用，建筑物的末端形式多采用地板采暖方式，且對地板采暖的單個環(huán)路長度和平衡有相應要求。夏季需要空調(diào)的房間也可采用風機盤管加新風系統(tǒng)。五、生活熱水按建筑物要求可提供生活熱水，可根據(jù)生活熱水量進行計算，可由太陽能集熱器或熱泵單獨提供，也可由二者聯(lián)合提供，生活熱水部分的設計，需在詳細數(shù)據(jù)計算后補充。六、太陽能集熱裝置及空氣換熱裝置為滿足地下埋管周圍季節(jié)性熱平衡，非采暖季需要季節(jié)性蓄熱，此部分可采用太陽能集熱裝置或空氣/水換熱裝置蓄熱，具體可結(jié)合熱水供應、冷熱負荷動態(tài)特點及二期空調(diào)負荷的特點進行設計等，以上能量提升系統(tǒng)未包含此部分。需在了解具體特征及詳細數(shù)據(jù)之后進行。六、經(jīng)濟運行分析本項目的冬季熱負荷為1821kW，夏季冷負荷為1619kW。1、冬季供暖經(jīng)濟分析：1）供暖熱負荷Qr=1821kw2）采暖天數(shù)：179天日工作24小時3）能量提升器消耗的電能：Ny1=1089.6×103kw﹒h/年4）能量采集、釋放消耗的電能：（補水泵間歇運行，且用電量不大，忽略不記）Ny2=179×24×132×0.585=331.74×103kw﹒h/年5）年總電能消耗量：N=Ny1＋Ny2=1421.34×103kw﹒h/年6）折合每平方米采暖用電量E=1421.34×103/40000=35.53kw﹒h/m2采暖季7）電費：當采用民用每度電價為SP1=0.51，則采暖部分折合每平方米每個采暖季的用電費用：S1=SP1﹒E=0.51×35.53=18.12元/m2采暖季（民用電）當采用工業(yè)每度電價為SP1=1，則采暖部分折合每平方米每個采暖季的用電費用：S1’=SP1﹒E=1×35.53=35.53元/m2采暖季（工業(yè)電）8）每年采暖總：18.12×40000=72.49萬元每年采暖總：35.53×40000=142.12萬元2、夏季制冷經(jīng)濟分析1）供冷總負荷：Q1=1619kw2）制冷天數(shù)60天日工作8小時3）能量提升消耗的電能：Ny1=108.24×103kw﹒h/年4）能量采集、釋放消耗的電能：Ny2=60×8×132×0.585=37.07×103kw﹒h/年5）總電能消耗量：Ny=Ny1＋Ny2=145.31×103kw﹒h/年6）折合每平方米制冷用電量E=145.31×103/40000=3.