《蓄能技术地源热泵》PPT课件.ppt
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1、西南交大建西南交大建西南交大建西南交大建环环蓄能技术蓄能技术理论与应理论与应用用内容1.基本概念2.发展概述3.基本传热理论4.地埋管换热器实验 5.测试新技术6.部分研究工作基本概念名词o地源热泵GSHP(GroundSourceHeatPump);n土壤耦合热泵系统(GCHP)n地下水热泵系统(GWHP)n地表水热泵系统(SWHP)o埋管换热器BHE(BoreholeHeatExchanger)(注:在美国,公认的术语则是“竖直环路”);o地热蓄能UTES(UndergroundThermalEnergyStorage)。基本概念定义1.地源热泵(ground-sourceheatpump
2、s)是一种利用地下浅层地热资源(包括地下水、土壤或地表水等)的,既可供热又可制冷的高效节能装置。夏季制冷时,大地作为排热场所,把室内热量以及压缩机耗能通过埋地盘管排入大地中,一部分蓄积在排热点附近,一部分通过土壤的导热和土壤中水分的迁移热量扩散出去。冬季供热时,大地作为热泵机组的低温热源,通过埋地盘管获取土壤中热量为室内供热。两个换热器都既可作冷凝器又可作蒸发器,只是因季节不同而功能不同。可以看到,在地源热泵空调系统中,由于冬季从大地中取出的热量可在夏季得到补偿,因而可使大地热量基本平衡。基本概念地源热泵GSHP特点o低运行费用,能效比高,约是传统空调系统的倍o可不设冷却塔、锅炉o地温稳定,不
3、受室外温度影响,高效,运行稳定o对环境影响小,绿色环保o维护费用较低o一机多用,可用于供热、供冷、供生活热水o地埋管系统经久耐用,寿命可达20年以上o对前期工作中,地质条件探查有较高要求基本概念COP与热源温度关系基本概念地源热泵(GSHP)基本型式型式地源热泵(GSHP),又名地热热泵,实际上都是热泵和与大地换热系统的复合物(图1)。他们基本上都含有一个地下换热器(称这种系统为“闭环系统”),或是一个用井中的地下水来运行的系统(称这种系统为“开环系统”)。热量能通过以下几种方式从地下提取:地下水井(即所谓的“开式系统”);竖直埋管换热器(即BHE);水平埋管换热器;“地下构造物”(装有换热器
4、的基桩)。图1表示了一个典型的BHE装置。制热工况,以大地作为热源,用液体(通常是水或是水与防冻剂的混合物)作为热媒,以利用地热;制冷工况下,系统则以大地作为冷源。每输出1kWh的热量或冷量,通常只消耗的电能,较之使用空气作为热/冷源的空气-空气热泵,在相同时间里节省了3050%的能耗。发展概述-欧洲o地源热泵是节能项目;o采暖中应用较多;大多数的欧洲国家并未拥有足量的可以直接拿来使用的地下热水资源(但像冰岛、匈牙利和法国等国家则不在此例)。应用低焓蓄水层来向大量的用户供暖也只是局限于具有特殊地质背景的地区。在这种情况下,在非集中式的GSHP系统中利用普遍存在的浅层地热资源成为了必然的选择。o
5、研究比较深入和实用;发展概述-美国o到目前为止,全球75%的地源热泵安装在北美地区;o直接膨胀(DX)热泵系统:针对住宅(别墅)建筑和小型商用建筑,顾虑主要集中在对环境保护以及系统的使用年限上。目前大部分北美热泵制造商均提供这种直接膨胀的DX热泵系统。o混合热源(Hybrid)系统:即采用地源和其它热源的混合方式。最主要的是地源和空气源的混合,这种混合方式运行的效率可以达到和完全埋管方式相当的水平,但埋管的规模却仅为后者的1/31/2。初期投资显著降低,系统的经济性明显提高。运行策略是通过室内需求,当时电价,室外空气温度以及地下循环温度的综合模型优化形成的。o垂直立井(StandingColu
6、mnWell)系统:这种形式的系统即不同于抽取地下水的开始系统,也不同于封闭的套管系统,而被认为是一种半开半闭式的系统。系统的寿命、可靠性、设备的免维护方面等均不如封闭式系统,但地下系统的投资可大幅度降低。o金属板式换热(JimSlim)系统:由于北美的住宅占地大,并且大量的房子临水(湖、河、溪)而建,因此一种平板式的金属(钛)换热器被用来直接沉放在水体里面,作为从浅表水中提取能量的装置。这种方式受欢迎原因在于其安装简便、成本低、运行效果好。o热泵和燃料电池(FuleCell)复合系统:正在进行中的技术中,以家庭能源系统和地源热泵的结合最为有挑战性,其中策略之一是将氢电池(FuelCell)和
7、地源热泵、太阳能结合形式成一个独立的无外部能源供应、但可提供电力照明、冷暖气的系统。非常适合远电力输送的地区。发展概述-GSHP系统的关键技术系统的关键技术o埋地换热器传热模型的研究o回填材料的研发o土壤热源热泵系统的合理配置o土壤热物性的研究基本传热理论-地表活动层初始温度场分布地表活动层初始温度场分布基本传热理论-开尔文线源理论根据拉氏变换可得温度解析解的基本型式热响应实验热响应实验测试的重要性测试的重要性 与其他空调形式相比,地埋管地源热泵增加了地埋管换热系统,其设计方案直接影响到系统的经济性和可靠性。为了提高地源热泵系统的经济性和可靠性,在建设初期应该掌握项目地的地埋管换热器的换热特性
8、,进行相关的勘察、测试工作。勘察、测试工作获取的参数包括地地层层岩岩性性、岩岩土土初初始始平平均均温温度度、岩岩土土体体热热物物性性参参数数(主要是平均导热系数)及其其他他参参数数(如冬、夏季运行工况单位延米换热量、综合传热系数等)。热响应实验-实验概况额定工况下,热泵产出的有效能量与其所耗电能的比定义为“性能系数”COP(CoefficientofPerformance)。COP值主要取决于从地下回路中出来的即将进入热泵的水的温度,而入口水温又主要取决于当地的地质条件(地下热能和地下水的参数,气候环境)和热泵的技术参数(地下换热器的长度、类型,灌浆的原料、类型和质量,等等)。影响一台热泵的C
9、OP值的其他因素有热/冷负荷,建筑物供暖/冷系统的类型和相关的设计供给温度。在地表下约10m深处,地下温度全年基本上都是不变的(主要取决于当地天气的情况和周围介质的温度),而且随着距地表处深度的增加温度的增幅却不大,因此,BHE显示出了比水平埋管换热器更好的运行性能和节能效果。热响应测试在热响应测试中Sanner等,2000,使BHE承担一个已设定好的热负荷,然后测出在循环中最终的温度变化(图3)。由于通过这项技术确定的埋管尺寸是以可靠的地下数据为基础的,因此从1999年年中起,在欧洲中部的大容量BHE设计中也开始采用了该项技术。热响映测试早在1995年就在瑞典和美国得到了率先发展Eklof和
10、Gehlin,1996;Austin,1998;目前,已经在包括土耳其在内的许多国家得到了应用。在使用了可靠的设计软件之后Hellstrom和Sanner,1994;Hellstrom等,1997,即便是在大型的应用中,BHE也能成为一种安全可靠的技术。国内目前也在使用这项技术。热响应实验-实验流程测试方法测试方法1稳定热流模拟试验也称为“热响应测试”或“岩土热物性测试”,采用电加热器(或制冷机)提供稳定热量(或冷量),记录地埋管换热器的温度响应情况,并利用模型计算岩土体热物性参数,进而设计地埋管换热器。2稳定工况模拟试验也称为“冷、热响应测试”,采用风冷热泵建立稳定的地埋管换热器运行工况,可
11、计算岩土体热物性参数,并直观获得地埋管换热器每延米换热量,也用于计算地埋管换热器的综合传热系数。测试方法测试方法1优点:1)测试设备结构简单;2)相关理论研究成果多,理论依据充分;缺点:1)传热模型存在适用性问题,假设条件与实际地质情况差距较大;2)需要多次模型计算,增加误差累计;3)计算具有较强专业性,从业单位掌握程度参差不齐。测试方法测试方法2优点:1)测试结果直观;2)设计结果可校核;缺点:1)相关理论研究成果较少,忽略管井间热干扰和非稳态传热因素;2)测试设备复杂。热响应实验规范要求在GB50366-2005地源热泵系统工程技术规范(2009年版)中,对地源热泵系统的前期勘察测试工作做
12、了补充规定。1)测试孔数量30005000m2宜进行测试,5000m2以上应进行测试,10000m2以上测试孔数量不应少于2个;2)测试时间测试孔安装完成后48小时后进行测试,若回天水泥砂浆则需10天后测试;测试持续时间不宜少于48小时;热响应实验规范要求3)测试设备及现场条件仪器仪表应具有有效期的校准证书,且精度(测量误差)满足一定的要求。测试现场具有稳定的电源,要求波动不大于5%;4)温度要求地埋管换热器出水温度稳定(不少于12小时内,温度波动小于1);加热功率大小应满足地埋管换热器出水温度高于岩土初始平均温度5;5)其他需获取地层岩性;单位延米换热量作为设计参考。热响应实验数据整理通过分
13、析稳定工况的试验数据,可以计算出单位长度地埋管换热器平均传热系数,在数值上,它等于单位长度地埋管换热器的换热量与地埋管换热器进出水平均温度和岩土的初始温度的差值的比值,单位为W/mK。单位长度地埋管换热器平均传热系数,W/(mK);特定工况下单位延米地埋管换热器的换热量,W/m;地埋管换热器进出水平均温度,;岩土的初始温度,;目前国内对地埋管换热器换热测试设备没有统一的规定,名称也各不相同,常见的有:冷、热响应测试仪(北京华清荣昊)土壤热物性测试仪(建研院空调所)岩土热物性测试仪(山东建工)热响应测试仪(天大、河北工大等)浅层岩土体热物理性能原位测试仪(吉大)其它(北京地质大学、同济、北工大等
14、)测试设备测试设备热响应实验-初温测定在众多的设计参数之中,被认为最容易测定也是最容易被忽略的就是岩土初始平均温度。众所周知,温差是热量传递的驱动。对于地源热泵的地埋管换热系统,地埋管换热器的平均温度与岩土平均温度的温差是热量传递的驱动力。因此,做好岩土初始平均温度的测定工作对于地埋管换热器的设计非常重要。规范规定,岩体初始平均温度的测试应采用布置温度传感器的方法。测点的布置宜在地埋管换热器埋设深度范围内,且间隔不宜大于10m;以各测点实测温度的算术平均值作为岩土初始平均温度。我公司根据开发的浅层地温能热(冷)响应测试仪的特点,在实际的现场试验中总结出三种方法,分别是无功循环法、地埋管水温平衡
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