地源热泵全分析课件.ppt
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1、地源热泵全分析地源热泵全分析单击此处添加副标题内容12/1/20222地源热泵空调地源热泵空调一、目前上海别墅建筑常用的集中空调系统一、目前上海别墅建筑常用的集中空调系统及存在的问题及存在的问题二、地源热泵中央空调介绍二、地源热泵中央空调介绍三、上海地区别墅建筑采用地源热泵系统的三、上海地区别墅建筑采用地源热泵系统的可行性分析可行性分析四、上海地区别墅建筑地源热泵系统设计四、上海地区别墅建筑地源热泵系统设计五、地源热泵的施工五、地源热泵的施工12/1/20223一、上海别墅建筑常用的集中空调系统及一、上海别墅建筑常用的集中空调系统及存在的问题存在的问题:1.1 风冷冷热水机组加风机盘管空调系统
2、1.2 VRV 空调系统1.3 风冷管道式冷热风空调系统12/1/202241.1 风冷冷热水机组加风机盘管空调系统l该空调系统由1 台室外机(风冷冷热水热泵机组)、若干台室内机(风机盘管)、水管、冷凝水管及膨胀水箱、循环水泵等组成。系统结构紧凑、安装方便、占室内建筑空间较少,易与建筑装修融为一体。各房间温度可独立控制,运行节能。缺点是无新风供给,集水盘内容易集尘滋生细菌,存在漏水可能。12/1/202251.2 VRV及多联机空调系统l该空调系统由1 台变频变制冷剂流量的室外机、若干台室内机、冷媒管、冷凝水管等组成。与1.1 节(风冷冷热水机组加风机盘管空调)系统不同的是室内外机之间用紫铜冷
3、媒管连接,不需要膨胀水箱、循环水泵。这种系统能对各空调房间实现较精确的温控,使用方便,运行节能。但无新风供给,安装要求高,如发生冷媒泄漏,很难找出漏点,不易维修。12/1/202261.3 风冷管道式冷热风空调系统l该系统由室外主机、室内管道机、冷媒管、送风管道和风阀、风口等组成。与1.2 节系统相仿,也属冷媒直接蒸发式,只是将1.2 节(VRV空调)系统的多个室内机改为一个室内管道机,向各室内提供冷热风。管道机可进新风,使室内空气清新,无漏水之忧,相对价格低。但各房间不易独立控制,房间送风量调节困难,集中回风影响各房间的私密性,风管布置要占建筑空间。12/1/20227 目前常用空调系统存在
4、的问题目前常用空调系统存在的问题l上述3 种空调系统均为空气源热泵系统,室外机组均要求暴露于大气中,所以对建筑立面有影响,破坏了建筑的整体美观;系统夏季制冷运行,将大量的热量排放至室外大气,会造成周围环境空气温度的升高,加剧城市的温室热岛效应;冬季低温下制热运行效率低;冬季当室外温度低于零度时,还需要运行制冷循环来除霜,增加了能量损失,制热效果会大大降低。12/1/20228二、二、地地源热泵中央空调源热泵中央空调:地源热泵中央空调分为水源热泵和土壤地源热泵中央空调分为水源热泵和土壤(地地)源热泵两类形式源热泵两类形式 l2.12.1水源热泵空调系统水源热泵空调系统 l2.1.12.1.1水源
5、热泵概念水源热泵概念l2.1.22.1.2水源热泵原理水源热泵原理l2.1.32.1.3水源热泵的分类水源热泵的分类l2.22.2土壤土壤(地地)源热泵空调系统源热泵空调系统 l2.2.12.2.1土壤热交换器地源空调概念土壤热交换器地源空调概念l2.2.22.2.2土壤热交换器地源空调分类土壤热交换器地源空调分类l2.2.32.2.3工作原理工作原理l2.2.42.2.4机组运行过程机组运行过程l2.2.52.2.5土壤热交换器埋管形式土壤热交换器埋管形式l2.32.3地源热泵系统优势地源热泵系统优势 l2.42.4地源热泵系统限制因素地源热泵系统限制因素12/1/202292.1.1、水源
6、热泵概念l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、湖泊或海水),或者是人工再生水源(生活污水、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。12/1/2022102.1.2、水源热泵原理 l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,地壳也向井水,地表水的传热,使水源的温度提高,而且水温一般都较稳定。水源热泵技术就是:在夏季将建筑物中的热量“取”出来,释放到水体中去;而冬季,则是通过水源热泵机组,从水
7、源中“提取”热能,送到建筑物中采暖。l由于夏季水源温度较室外空气温度低,冬季要高,所以制冷/热的效率远高于空气源热泵.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。12/1/2022112.1.3、水源热泵的分类l井水源热泵(GWHP)井水源热泵系统,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,再由回灌井群灌回地下。l地表水源热泵(SWHP)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的冷热源。草坪岩石层岩石层地下水土壤层出水管回水管回灌
8、井 抽水井设备间设备间出水管回水管池塘换热器草坪12/1/2022122.22.2土壤土壤(地地)源热泵空调系统源热泵空调系统 2.2.12.2.1土壤土壤(地地)源空调源空调概念 土壤(地)源空调系统是把热交换器埋于地下,通过水在由高强度塑料管组成的封闭环路中循环流动,从而实现与大地土壤进行冷热交换的目的。夏季通过机组将房间内的热量转移到地下,对房间进行降温。同时储存热量,以备冬用。冬季通过热泵将土壤中的热量转移到房间,对房间进行供暖,同时储存冷量,以备夏用,大地土壤提供了一个很好的免费能量存贮源泉,这样就实现了能量的季节转换。12/1/2022132.2.22.2.2土壤土壤(地地)源热泵
9、空调分类源热泵空调分类 按土壤热交换器形式分为l垂直埋管地源热泵系统l水平埋管地源热泵系统土壤层岩石层出水管回水管草坪壤换热器地耦管土设备间土壤层地耦管草坪回水管回灌井设备间12/1/2022142.2.3工作原理 l供暖时,它吸取地热向用户排放,此过程只消耗少量电能,如图1所示。l制冷时,它吸取用户室内的热量向地下排放,同样也消耗少量电能,如图2所示12/1/2022152.2.4机组运行过程 l冬天热泵中制冷剂正向流动,压缩机排出的高温高压R22气体进入冷凝器向集水器中的水放出热量,相变为高温高压的液体,再经热力膨胀阀节流降压变为低温低压的液体进入蒸发器,从地下循环液中吸取低温热后相变为低
10、温低压的饱和蒸汽后进入压缩机吸气端,由压缩机压缩排出高温高压气体完成一个循环。如此循环往复将地下低温热能“搬运”到集水器,从而不断的向用户提供45-50的热水。如图3所示。l夏天热泵中制冷剂逆向流动,与用户换热的冷凝器变为蒸发器从集水器中的低温水(7-12)提取热能,与地下循环液换热的蒸发器变为冷凝器向地下循环液排放热量,循环液中热量再向地下低温区排放,如此循环往复连续地向用户提供7-12的冷水。12/1/2022162.2.5土壤热交换器埋管形式 l地下埋管换热器主要有两种形式,即水平埋管和垂直埋管。选择哪种形式取决于现场可用地表面积、当地岩土类型以及钻孔费用。尽管水平埋管通常是浅层埋管,可
11、采用人工开挖,初投资比垂直埋管小些,但它的换热性能比竖埋管小很多,并且往往受可利用土地面积的限制,所以在实际工程应用中,一般都采用垂直埋管。(见图4)12/1/202217可再生能源:可再生能源:利用浅层地热能作为冷热利用浅层地热能作为冷热源,实现冷热联供源,实现冷热联供节能节能:(高温:(高温/严寒季节)性能系数高,严寒季节)性能系数高,节省运行费用节省运行费用30305050;环保环保:取消锅炉,减少热污染;:取消锅炉,减少热污染;一机多用一机多用:一套系统实现三种用途,制:一套系统实现三种用途,制冷冷,供热及卫生热水供热及卫生热水.节省建筑空间节省建筑空间性能稳定性能稳定:温度波动小,不
12、受环境影响:温度波动小,不受环境影响美观美观:无室外机,不影响建筑外观:无室外机,不影响建筑外观 2.3地源热泵系统优势12/1/2022182.4地源热泵系统限制因素初投资较高(打井、钻孔、埋管等)需要有一定的空间埋设埋管系统施工要求较高,需要专业施工队伍和设备注意冷热负荷平衡的问题12/1/202219三、上海地区别墅建筑采用地源热泵系统的可上海地区别墅建筑采用地源热泵系统的可行性分析行性分析l上海地区属于夏热冬冷地区,近几年最热月平均气温已达30.2、最冷月平均气温为4.2,最冷月与最热月平均相对湿度分别为75%,83%,高于35 的酷热天气长达半个月至一个月,日平均温度低于5 的天数长
13、达两个月以上,因此每年传给土壤的冷热量基本相同,其气候条件适合推广地源热泵。l地源热泵地下埋管换热器处于地壳的浅层地表土壤中,土壤的类型、热特性、热传导性、密度、湿度等对地源热泵系统的性能影响较大。据地质钻探知上海地区的浅层土是以黏土、亚黏土及粉砂为主的软土,属于第四纪沉积层,且土壤潮湿,地下水位高,是埋管系统较合适的土壤类型。l别墅建筑一般都带有花园,具备供地源热泵系统布管的土壤面积,因此在上海地区别墅建筑中采用地源热泵空调系统是完全可行的。12/1/202220四、上海地区别墅建筑地源热泵系统实例上海地区别墅建筑地源热泵系统实例l以上海大华西郊别墅三层(2/-1)别墅住宅为例进行介绍。该别
14、墅建筑面积为550 m2,总空调面积为530 m2。别墅周围仅有一面积约为120 m2 的L 型空地可供地源热泵系统布管。l地源热泵系统:带热回收,制冷,制热,卫生热水三位一体.冬季采用地板辐射采暖.l别墅建筑地源热泵中央空调系统工程的设计主要分四个方面,即负荷计算及设备选型、土壤换热器系统方案、末端设备、自动化控制。12/1/2022214.1负荷计算及设备选型 l4.1.14.1.1设计参考资料设计参考资料l4.1.24.1.2空调冷热负荷及主机选型空调冷热负荷及主机选型l4.1.2.14.1.2.1空调冷负荷计算空调冷负荷计算l4.1.2.24.1.2.2主机选型主机选型l4.1.34.
15、1.3生活热水热负荷计算生活热水热负荷计算l4.1.44.1.4冬季最大热负荷及校核冬季最大热负荷及校核l4.1.54.1.5系统工作原理系统工作原理12/1/2022224.1.14.1.1设计参考资料设计参考资料l1)节能、舒适原则l2)建筑、装修图纸及对空调系统的要求l3)空气调节设计手册(第二版)l4)采暖通风与空气调节设计手册l5)地源热泵系统工程技术规范(GB50366-2019)l6)建筑设计防火规范(GBJ16-2019)l7)室外空气计算参数 夏季室外干求温度tw=34.00C 湿球温度ts=28.20C 冬季室外干求温度tw=-40C 相对湿度75%l8)室内空气设计参数(
16、见表)l9)地源热泵GLD计算软件l10)土壤换热物性参数(由于本工程地址条件明确,本次土壤热泵空调方案是在地下土壤为岩、土的基础上设计)房间名称温度0C相对湿度%噪音dB(A)夏季冬季夏季冬季卧室25206535%45家庭室25206535%45客厅25206535%45楼梯厅26186535%4512/1/2022234.1.2 4.1.2 空调冷热负荷及主机选型空调冷热负荷及主机选型4.1.2.1 4.1.2.1 空调冷负荷计算空调冷负荷计算l因为上海地区冷负荷大于热负荷,机组选型以冷指标计算。根据装修户型图,P型别墅空调面积为550M2。因为别墅对空调使用的特殊性,满负荷运行的时间比较
17、短,根据别墅图纸及各房间的使用性质,别墅总制冷量74KW,同时使用率80%。别墅部分房间冷负荷计算及汇总表别墅部分房间冷负荷计算及汇总表序号序号层数层数用途用途空调面积空调面积 (m(m2 2)冷指标冷指标(W/m(W/m2 2)合计冷负荷合计冷负荷(W/m(W/m2 2)1 1地下室地下室保姆房保姆房9 9228228205220522 2工作室工作室373722422482888288合合 计计230230740007400012/1/2022244.1.2 4.1.2 空调冷热负荷及主机选型空调冷热负荷及主机选型4.1.2.24.1.2.2主机选型主机选型l结合克莱蒙特的机组进行各户型的
18、机组选型如下:结合克莱蒙特的机组进行各户型的机组选型如下:户型户型机组型号机机组型号机组型号组型号输出冷量输出冷量/输输入功率入功率KWKW输出热量输出热量/输输入功率入功率KWKW热最大回收热最大回收量量KWKW最大输入功最大输入功率率KWKW数量数量HRHNDHW-HRHNDHW-0091009128/6.728/6.728.4/8.328.4/8.329.410.71HRHNDHW-HRHNDHW-0071007124.4/8.324.4/8.324.4/6.724.4/6.724.59.7112/1/2022254.1.2 4.1.2 空调冷热负荷及主机选型空调冷热负荷及主机选型4.1
19、.2.24.1.2.2设备布置及风管设计设备布置及风管设计l设计方法与风冷系统相同,主要内容是合理设计室内机组位置,使水管接入方便,还要保证气流送/回风合理,减少室内各处温差.l确定送回风管路的走向,确定截面形状、尺寸及材料,确定送回风口形式、位置、个数、尺寸,进行风管的阻力计算,校核机组所需的机外余压。12/1/2022264.1.34.1.3生活热水热负荷计算生活热水热负荷计算根据装修提供的图纸,根据全国民用建筑工程设计技术措施给水排水2019年,查卫生器的小时热水用水定额及水温,得盥洗槽水嘴30L/h,水温30;淋浴器150L/h,水温40。l热水设计小时耗热量计算公式热水设计小时耗热量
20、计算公式lQh=qhQh=qh(t2-t1t2-t1)np.b.c.p/3600np.b.c.p/3600l 式中:lQh设计小时耗热量(W);lb卫生器具同时使用率。lnp卫生器具数量lqh卫生器热水用水定额L/hlC水的比热,C=4187(J/kg.);lt2热水温度(),按卫生器的小时热水水温;ltl冷水温度(),上海地区可选为5;l热水密度(kg/L)。l按照盥洗槽水嘴同时使用率为30%;淋浴器每户按同时使用3只,计算设计小时耗热量 21KW。容积式小时耗热量设计(蓄水罐)容积式小时耗热量设计(蓄水罐)l考虑到别墅间隙性热水供应特点以及最经济热水加热设备投资,本方按设计一个500L的储
21、热水罐来减小设计小时耗热量,即当采用储热容积与其相当的热水机组提供热水,其小时耗热量应按下式计算:l式中:lQg储热水罐的设计小时供热量(W)lQh设计小时耗热量(W)l有效贮热容积系数;容积式水加热器=0.75,导流型容积式水加热器=0.85;(这里取0.75)l Vr总贮热容积(L),现热水罐l T设计小时耗热量持续时间(h),T=24h;现取3l Tr热水温度(),按设计水加热器出水温度50计算;lTl冷水温度(),上海可选为5;l热水密度(kg/L)。TlTrTVrQhQg163.112/1/2022274.1.44.1.4冬季最大热负荷及校核冬季最大热负荷及校核l空调热负荷与生活热水
22、热负荷之和;l不考虑空调的同时使用系数户型地暖热负荷 KW生活热水耗热量KW总热负荷 KW机组额定制热量KWP28(估算)214953.912/1/2022284.1.54.1.5系统工作原理系统工作原理l制冷时,当空调冷负荷小于机组的单台制冷量时,只需要启动一台机组,达到使用中最合理最节能(节能主要体现在建筑本身节能、空调机组节能以及使用节能)。根据负荷大小逐时启动二台机组。l制热时,而且同时还制取生活热水,当热负荷小于单台制热量时,只需要启动一台机组,根据负荷大小逐时启动二台机组。l生活热水提取,机组采用热回收机组,即制冷制热及生活热水一体化。制冷季,免费提供生活热水;过度季节,用机组制热
23、提供生活热水,机组的能效比为5.27,而电加热热水器的能效比小于1,相对来说用机组制热比电加热更加节能;制热季,利用热负荷比冷负荷小,而机组选配时参照冷负荷,用多余机组来制生活热水。12/1/2022294.24.2室外换热系统方案室外换热系统方案l4.2.14.2.1土壤温度的状况分析及变化规律土壤温度的状况分析及变化规律l4.2.24.2.2土壤源垂直埋管地源热泵介绍土壤源垂直埋管地源热泵介绍l4.2.34.2.3垂直埋管系统钻孔布置位置垂直埋管系统钻孔布置位置l4.2.44.2.4换热器计算软件换热器计算软件 12/1/2022304.24.2室外换热系统方案室外换热系统方案4.2.14
24、.2.1土壤温度的状况分析及变化规律土壤温度的状况分析及变化规律l原始土壤的温度状况分析。土壤环境温度状况是指土体温度随时间与空间的变化,它是土壤热量平衡和土壤热状况的反映。原状土的温度可由计算得到也可以测出。地下约5m以下土壤温度基本不受地面温度波动的影响,而保持一个定值。已有的研究表明,地下约10m深度的土壤温度比之全年的平均温度在多数情况下要高出12,并且无季节性波动。其偏离平均温度的值在地下0.3m处仅1.5。l土壤温度的变化规律。受地面温度波动的影响,土壤温度有两种周期变化:(1)土壤温度的变化;(2)土温的年变化。土温的年变化是指一年中各个月份中温度的变化。在达到相当深度后,土温便
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