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地缘热泵方案

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2020年4月19日
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哈尔滨卷烟厂易地搬迁项目

地源热泵系统初步设计方案
及经济运行分析

哈工大——龙冶新能源研究应用中心
-8-12

前 言
1、浅层地热是清洁能源
地表浅层地热资源能够称之为地能，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温低位热能。地表浅层是一个巨大的储能器，经过太阳能及地心能在较长时间的平衡，使地球浅层形成一个随地域变化而温度变化的恒温层。它真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层的清洁能源能够近似的看做可再生能源的一种形式。
2、地源热泵系统是是高效的节能技术
地源热泵是利用浅层地热的蓄能特点进行供热、制冷的新型能源利用技术。地源热泵经过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。一般地源热泵消耗1kW的能量，用户能够得到4kW以上的热量或冷量。
地源热泵是利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力,冬季地源系统把热量从地下土壤中转移到建筑物内,夏季再把地下的冷量转移到建筑物内,一个年度形成一个冷热循环。
地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。
3、地热供暖环境效益显著
地源热泵系统由于利用浅层土壤的储能特性进行制冷或供暖，即夏季提取土壤中的冷量并向地下排放热量，冬季提取土壤中的热量并向地下排放冷量，无燃烧，故无排放物，无污染物，无废弃物。
4、一机多用，应用范围广
地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统能够替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统，适合于无集中供热区域的冬季供暖和夏季制冷。同时一套系统也减少了两套系统的系统维修维护风险和费用。
一、 工程概况
本工程为黑龙江烟草工业有限责任公司"十一·五” 哈尔滨卷烟厂易地搬迁项目，位于黑龙江省哈尔滨市松北区，拟采用太阳能-地源热泵系统环境系统为建筑物提供冬季供暖和夏季制冷，拟采用的部分为：附房15000 m2，生产管理用房及技术研发中心19844 m2，后勤保障设施5623 m2，共40467 m2。
二、设计依据
1）甲方提出要求及规划布置图；
2）中央液态冷热源环境系统技术参数及相关配置；
3）《采暖通风与空气调节设计规范》 GB 50019- ；
4）设计参数：
室外设计计算参数：
序号
项 目
参 数
1
地 名
哈尔滨
2
台站位置
北纬
45°41′
东经
126°37′
海拔（m）
171.7
3
大气压力（mbar）
冬季
1001.5
夏季
985.1
4
年平均温度（℃）
3.6
5
室外计算干球温度（℃）
冬季
采暖
－26
空调
－29
通风
－20
夏季
通风
27
空调
30.3
空调日平均
26
平均日较差
8.3
6
夏季空调室外计算湿球温度（℃）
23.4
7
最热月平均温度（℃）
22.8
8
室外计算相对湿度（%）
冬季空调
74
最热月月平均
77
夏季通风
61
9
室外风速（m/s）
冬季平均
3.8
夏季平均
3.5
10
最大冻土深度（cm）
205
11
极端最低温度（℃）
-38.1
12
极端最高温度（℃）
36.4
13
采暖期时间
179
14
统计年份
1951～1980

三、冷热负荷计算
按面积指标估算建筑的总冷热负荷。
（1）采暖总热负荷：
QR= F·qR/1000 （kW）
式中：F —供暖面积（m2）
qR—供暖平均面积热指标，取45W/m2；
QR=40467*45/1000=1821 kW
（2）总冷负荷：
QL= F·qL/1000*0.5 （kW）
式中：F —供冷面积（m2）
qL—供冷平均面积冷指标，取80W/m2
考虑不同用途，不同朝向的房间对空调的需求、空调峰值负荷同时出现的可能性，以及建筑用冷工况的不同，取其制冷负荷修正系数为0.5。
QL=40467*80/1000*0.5=1619 kW

四、地源热泵系统的设计
1、地源热泵原理
能源问题现已成为当今世界的第一大问题，一次能源的消耗和锐减，不但使我们赖以生存的环境受到了破坏，同时也增大了使用一次能源的各种项目的运行费用。可再生能源的开发和利用已经逐步被列为重点的发展方向。
地源热泵是利用了地表浅层地热资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。冬季，热量能够以一个较低的速度从地下抽取，经过热泵提升后，热量用于取暖系统中。对于夏天的制冷作用这种系统正好反过来利用，来自建筑物热量能够回灌到地下土壤热交换器系统，以进行非常高效的空间冷却。地源热泵供暖空调系统主要分三部分：地下能量采集系统（地埋管土壤热交换器系统、地下水井）、能量提升系统（热泵机组等）和能量释放系统（系统末端）。

井水源热泵系统示意图

地埋管地热泵流程示意图
地埋管土壤热交换器系统：地埋管式分为水平埋管式和竖直埋管式，由于北方地区的气候条件适用于竖直埋管方式。竖埋管即打一定深度、一定数量的竖埋孔，每个孔内安装两对U型地埋管，所有的竖埋管经过集水管路汇集并在管道末端设置循环泵，与室内热泵机组的换热器形成一个闭式系统，经过中间介质（一般注入水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在埋设于土壤内的封闭环路（地壤换热器）中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的，从浅层土壤中获取能量输送至热泵机组冬季供暖、夏季制冷。
地下水井：采用打水井的方式提取能量，即根据当地的地下结构和地质条件确定开口大小和打井深度，在井内安装能量提升设备，提取井水经换热器提取能量后回灌到回灌井中，地下水无浪费、无污染。
2、能量采集部分
能量采集系统是地源热泵系统的重要组成部分，它是能量提升系统能否安全、稳定、可靠、经济运行的根本保证。经对本项目的研究和哈尔滨市对地下水资源管理的相关规定，本地源热泵系统能量采集部分初步决定采用竖埋管式地埋管。
（1）采用竖埋管热泵系统的特点：
A 系统稳定，无需定时检修；
B 不需要直接提取地下水和利用地下水的水量，不会对本地区地下水的平衡和地下水的品质造成影响，不受地下水使用政策和季节变化的影响，无地下水资源费；
C 初投资相对较大。
(2) 竖孔孔径及数量确定
经初步估算，本项目地埋管孔径及数量确定如下：
本工程共需设置竖孔570个，竖孔采用双U型管结构，井孔深为120m，竖埋孔数量根据具体项目的现场情况进行校核调整。
（3）钻机选择
根据钻机的泥浆循环方式钻机可分为：正循环钻机和反循环钻机。正循环钻机和反循环钻机，都是经过钻井液(泥浆)的循环进行保护钻井井壁和出渣的，即经过钻井液(泥浆)的循环，把钻孔里的钻渣带出来，它们在钻进成孔的工艺上是相同的，适用的地层也基本相同。不同的就是钻井液(泥浆)的循环方式。正循环钻机的钻井液(泥浆)是由泥浆泵从泥浆池里抽到钻杆里，经过钻杆不断的输送到钻井里，然后从钻井井口自然的排出来，同时把钻渣带出到地面上来。由于它是靠钻井液(泥浆)的自然循环方式排渣，因此循环能力和排渣能力都比较弱，只能排出一部分钻渣，而且颗粒比较大的钻渣也不能排出来，钻井里残留的钻渣比较多，影响了钻进速度，钻具的磨损也比较大。
反循环钻机的钻井液(泥浆)的循环方式则正好相反，它的钻井液是用泥浆泵从钻井的井口(钻杆外面)向钻井里输送，再用压缩空气或泥浆泵，从钻杆的中间抽出来，因此循环能力和排渣能力都比较强，不但排渣比较干净，而且颗粒比较大的钻渣也能排出来，像鸡蛋大的钻渣都能排出来。
根据项目所在地的地质情况，地下结构复杂，部分地层为泥岩，泥岩为灰色泥岩，硬度较大，钻井比较困难，成井时间较长。当采用正循环钻机钻井采用泥浆护壁时，需调泥浆稠度相对偏高，为保证灌浆的质量需将竖埋孔内的泥浆冲出，当冲出泥浆时，压力过大，容易造成砂层塌方；如不将泥浆冲出，则泥浆稠度偏高会灌浆困难，需长时间沉淀，重复灌浆，灌浆质量得不到保障，同时对封住隔水层的效果产生影响，基于以上原因不使用正循环钻机。
根据本项目特点采用反循环钻机钻孔，反循环钻机为清水钻，成井工艺决定了竖埋孔内没有正循环产生的泥浆稠度偏高的问题，可直接进行灌浆，灌浆速度快，密实度好，并能保证封住隔水层，保证竖埋孔的换热效果
（4）孔内回填
回填工艺是回填效果好坏的重要环节，强化换热型回填材料能够大幅度提高钻井换热器的换热能力，钻井的换热能力随着回填材料导热率的增加而不断提高，但回填材料导热率并非越高越好，而是应该接近且稍高于钻井周围岩土层的导热率。
地埋管的回填材料及回填效果对地埋管的使用效果有着重要的影响，故地埋管回填后需要一个沉淀期，达到一定的密实度。建议地埋管的施工要提前，能够和建筑物的基础工程同时进行，以保证地埋管的技术要求。
（5）经过现场踏查，建设区域自然地坪不平整，并需回填，考虑到科学施工、节约成本的原则，建议在场地回填前钻孔。
3、地埋管部分热平衡问题的解决措施
哈尔滨属于严寒地区，冬季寒冷漫长，土壤平均温度在8°C左右，冬季供暖时间长，机组从地下土壤中取得热量多，而夏季空调时间短，机组向地下排放的热量偏少，长期运行，土壤温度会逐年下降；冬夏负荷的不平衡对土壤温度场恢复是极为不利的，长期运行后若土壤温度过低，将严重影响土壤源热泵系统的性能，机组效率会逐年降低, 因此对于严寒地区的土壤源热泵系统，应重点考虑长期运行后土壤温度场的变化情况。
措施（1）：引入太阳能季节蓄热解决平衡
由于本工程需要部分热水供应，可使用清洁能源太阳能热水供应。由于太阳能集热量随季节变化而变化，夏季产热量多，而冬季产热量少。为此，将传统的土壤源热泵系统和太阳能集热系统相结合，收集非采暖季节的太阳能或空气中的热能，并经过土壤换热器储存到自然的土壤中，冬季再利用热泵将热量提取出来为建筑物供暖。这种季节性的土壤蓄热，不但能够恢复和提高土壤温度，而且还能将非采暖季节丰富的太阳能转移到冬季使用，有效的增加了太阳能作为可再生能源热利用的范围，土壤温度场能够得到及时恢复，从而使热泵运行稳定，有效提高热泵供暖的COP。原理图如下：

辐射地板
Ⅳ

供暖房间

太阳能集热器
膨胀水箱
Ⅶ
I
土壤换热器
Ⅱ
Ⅲ
热泵机组

P
1
P
3
P
2
板式
换热器
1
2
3
4
5
6
7
8
9
12
13
14
10
11
15
16
17
18
19
20
阀门
调速水泵
温度测点
压力表

集气罐

定压水箱
夏季空调

措施（2）：引入空气中的能量季节蓄热解决平衡
根据甲方提供的资料，本项目二期工程中由于通风空调系统中使用新风较多，夏天空调负荷较大，可考虑将这部分热量释放到地下储存，以平衡冬季向地下释放的冷量，保证系统的长期有效运行。原理图如下：
（3）能量提升系统
依据上述冷热负荷及地源热泵系统技术参数，机房主要配置如下表。
序号
设备名称
设备参数
（单台）
数量
电功率
（kW）
备注
1
能量提升器
Qr=973 kW
Ql=942 kW
2
Qr=208kW
QL=176kW
主机
2
末端循环泵
Q=360m3/h H=32m
1
55 kW

3
二次循环泵
Q=360m3/h H=16m
1
22 kW

4
一次循环泵
Q=360m3/h H=32m
1
55 kW

5
板式换热器
BR80-140
1

6
全自动软水器
3.0~4.0 m3/h
1

7
补水箱
2600*2200*
1

V=8m3
8
定压罐
DN800
1

9
补水泵
Q=3.2m3/h H=32m
1
2.2

机组向末端提供50/45℃的热水，根据需要可设备用机组一台。
（4）能量释放系统
供暖时热泵的出水温度在45℃左右，考虑到系统运行效率和用户运行费用，建筑物的末端形式多采用地板采暖方式，且对地板采暖的单个环路长度和平衡有相应要求。夏季需要空调的房间也可采用风机盘管加新风系统。
五、生活热水
按建筑物要求可提供生活热水，可根据生活热水量进行计算，可由太阳能集热器或热泵单独提供，也可由二者联合提供，生活热水部分的设计，需在详细数据计算后补充。
六、太阳能集热装置及空气换热装置
为满足地下埋管周围季节性热平衡，非采暖季需要季节性蓄热，此部分可采用太阳能集热装置或空气/水换热装置蓄热，具体可结合热水供应、冷热负荷动态特点及二期空调负荷的特点进行设计等，以上能量提升系统未包含此部分。需在了解具体特征及详细数据之后进行。

六、经济运行分析
本项目的冬季热负荷为1821kW，夏季冷负荷为1619 kW。
1、冬季供暖经济分析：
1）供暖热负荷Qr=1821 kw
2）采暖天数：179天 日工作24小时
3）能量提升器消耗的电能：Ny1=1089.6×103 kw﹒h/年
4）能量采集、释放消耗的电能：（补水泵间歇运行，且用电量不大，忽略不记）
Ny2=179×24×132×0.585=331.74×10³ kw﹒h/年
5）年总电能消耗量：
N= Ny1＋Ny2=1421.34×10³ kw﹒h/年
6）折合每平方米采暖用电量
E=1421.34×10³/40000=35.53kw﹒h/m²采暖季
7）电费：
当采用民用每度电价为SP1=0.51，则采暖部分折合每平方米每个采暖季的用电费用：
S1=SP1﹒E=0.51×35.53=18.12元/m²采暖季（民用电）
当采用工业每度电价为SP1=1，则采暖部分折合每平方米每个采暖季的用电费用：
S1’=SP1﹒E=1×35.53=35.53元/m²采暖季（工业电）
8）每年采暖总：18.12×40000=72.49万元
每年采暖总：35.53×40000=142.12万元
2、夏季制冷经济分析
1）供冷总负荷：Q1=1619kw
2）制冷天数60天 日工作8小时
3）能量提升消耗的电能：Ny1=108.24 ×10³ kw﹒h/年
4）能量采集、释放消耗的电能：
Ny2= 60×8×132×0.585=37.07×10³ kw﹒h/年
5）总电能消耗量：
Ny= Ny1 ＋Ny2 =145.31×10³ kw﹒h/年
6）折合每平方米制冷用电量
E=145.31×10³/40000=3.63kw﹒h/㎡年
7）电费：按民用电价为0.51元/ kw﹒h计算，折合每平方米每个制冷季的运
行费用：S1=SP1﹒E=0.51×3.63=1.85元/㎡制冷季
按工业电价为1元/ kw﹒h计算，折合每平方米每个制冷季的运行费用：S1’=SP1﹒E=1×3.63=3.63元/㎡制冷季
8）每年总费用：
S=S1×F=1.85×40000=7.4万元
S’=S1×F=3.63×40000=14.52万元

哈工大——龙冶新能源研究应用中心
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