地源热泵室外换热系统施工新技术

地源热泵室外换热系统施工新技术

学习的主要内容 一、地热利用与基本概念 二、地源热泵技术的基本原理 三、地源热泵的分类与比较 四、影响地源热泵的各种因素 五、抽水 - 回灌井布置主要考虑因素 六、 影响地埋管地源热泵系统的地质环境因素 七、地埋管换热原理 八、地源热泵系统工程技术规范 地热能 传统地热能 是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，我们所开发的深部地热为历史形成的热水能量载体。属于国家矿产资源。 浅层地热能 浅层地能主要指储藏在浅层土壤中温度在 25℃ 以下的低品位热能，通过水循环与之交换能量，水作为中间介质利用，操作安全，运行简单，投资少，不消耗地下水资源，可再生性强，目前不属于国家矿产资源。 浅层地热能介绍 浅层地热能是地球热能的重要组成部分，通常是指位于地球表层变温层之下，蕴藏在地壳浅部岩层体中的低温地热资源，其热能主要来自地球深部的热传导。 浅层地热能的温度略高于当地平均气温 3 ～ 5℃ ，温度比较稳定，分布广泛，开发利用方便，具有十分广阔的开发利用前景。 浅层地热能的利用，主要是通过热泵技术的热交换方式，将赋存于地层中的低位热源转化为可以利用的高位热源，既可以供热，又可以制冷。目前，浅层地热能开采利用的经济深度一般小于 200m 。 地质监测表明：相对恒温层的下方，受地心热的影响大，产生温度梯度，一般每下深百米，温升 3~4℃ 。而在相对恒温层的上方，百米左右的地表层，也就是通常开发利用的浅层地能所在的范围，受太阳能的影响较大。 浅层地热能两方向来源 外部太阳能 内部地心热 基本概念 热泵 —— 是将低品位热能提升到高品位热能的设备。低品位热能随处可见，如空气中的热量、土壤中的热量、江河湖海水中的热量等。但由于温度低而不能直接用于建筑物的采暖。通过热泵提升温度后就能用于建筑物的采暖。 地源热泵 —— 利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）高效率提供制冷和采暖功能的环保空调系统。 二、地源热泵系统运行基本原理 由于地层的隔热和蓄热作用，使得储存于其中的地下水温度受地表气温变化的影响较小，特别是较深地层中的水，其温度常年不变，地下水源热泵系统就是利用浅层地下水温度较为稳定的特性，以浅层地下水作为能量的载体，通过热泵实现热量的转移，从而达到对建筑物进行供热和制冷的目的。 地源热泵系统流程图 系统工作环节 土壤热泵复合式系统 夏季 冬季 土壤热泵机组 ＋ 蒸汽溴化锂吸收式制冷机 土壤热泵机组 ＋ 蒸汽热网 三、地源热泵系统分类比较 水资源法规不受限制，国家鼓励；适用我国长 江以北地区；建筑物与地源距离不受影响，在 建筑物周围垂直埋管即可；寿命及可靠性不受 影响，地下埋管可使用 50 年 水资源法规受限制，审批严格；适用我国长江 以北地区；建筑物与地源距离长期抽水会造成 地面沉降，井位密度和井距都有严格要求；水 井的使用寿命受很多因素的影响 。 水资源法规受限制，需审批；要求地表水温冬 季大于 7°C ，夏季小于 30°C ；建筑物与地源 距离取水距离不宜过远；取水量受地表水位的 变化影响，输水管道的使用寿命比土壤源垂直 埋管低得多 地埋 管式 地下 水源 地表 水源 因 地 制 宜 思考 地源热泵系统分类 地源热泵 地埋管 地源热泵 地下水 地源热泵 地表水 地源热泵 水平 地埋管 垂直 地埋管 桩埋管 直 接 使 用 地 下 水 间 接 使 用 地 下 水 开式 闭式 垂直 水平 螺旋 桩基 闭式 开式 四、影响地下水地源热泵系统的各种因素 1 、 自然地理、气象条件 进行地下水地源热泵施工前需调查分析当地的自然地理、气象条件。 地下水温度和冬夏两季应用空调制冷和制热时间对地下水地源热泵系统设计有很大影响。冬冷夏热（冬季和夏季时间相差不大）地区是应用地下水地源热泵的良好区域 2 、 水文地质条件 应用地下水地源热泵系统，含水层必须具备抽得出、灌得进等条件： 含水层的水文地质条件应符合以下几点： A ．含水层具备一定的渗透性，渗透系数较大，含水层厚度大，贮水容积大 B ．含水层中无异常地温梯度现象； C ．地下水抽水－回灌后对地下水的水质影响，应向好的方向发展； D ．系统抽水－回灌后，不能引起其他不良的水文地质和工程地质现象，如地面沉降、土地的沉陷或土壤盐碱化等； E ．含水层的上下隔水层要有良好的隔水性，较小的隔水层渗透系数，以避免与邻近含水层短路，造成能量流失，形成良好的保温层。 ① 含水层 含水层岩性为中细砂以上；含水层埋置相对较浅、含水层厚度大，可节约成本。 ②地下水位埋深与变化趋势 地下水位离地面有一定深度，最好大于 10m ； 考虑地下水位埋深必需分析、预测场地及其周边地区地下水位的未来变化。 ③地下水流向与流速 一种是等值线法， 另一种是实测法，可以用井下电视法、地下水流速流向仪量测。 3 、工程地质条件 应用地下水地源热泵系统必须考虑地下水位降低造成地面沉降的影响。 4 、周边环境 周边环境包括临近场地的建筑物情况、地下水地源热泵系统使用情况、抽水－回灌井深度、出水量大小以及重要管线等基础设施情况和场地所处是否为敏感地区如水源保护区、地下水污染区等。这些因素都是选择地下水地源热泵系统的制约因素。 5 、 场地大小、建筑面积 地下水地源热泵系统的抽水井和回灌井一般均必须布置在有限的场地范围内，而要保障地下水地源热泵系统的正常运行，抽水井、回灌井之间必须保持合理的井间距。而建筑面积决定了地下水地源热泵系统的用水量 6 、敏感区的确定 需调查场地是否处于敏感地区，如水源保护区、地下水污染区等，了解当地的政策是否允许采用地下水地源热泵，以免工程盲目投资造成不必要的浪费。 7 、审批 采用地下水地源热泵系统前必须进行水资源论证，并经过专家审查和水务部门审批。但水资源论证工作中对水文地质条件的论述并不能完全满足地下水地源热泵系统设计的需要，在进行地下水地源热泵系统设计前仍应进行水文地质勘察工作 水文地质勘察评价 ①热泵系统的地下水开采和回灌方法； ②抽水井、回灌井的井间距及其对抽水井出口温度的影响； ③不同抽水井、回灌井布置，在地下水地源热泵长期运行中地下温度场的变化趋势； ④地下水温度是否适宜地下水地源热泵系统； ⑤与热泵系统和现有规章有关的被探测到的所有污染物的重要程度；地下水水质对地下水地源热泵系统长期运行效率的影响； ⑥抽水－回灌中地面沉降估算和周边环境影响的评估； 水文地质勘察工作包括以下步骤： ①资料搜集和整理 ②场地状况调查 ③场地勘察 ④水文地质试验 ⑤分析与评价 场地勘察 A 地下水的赋存状态和地下水类型； B 含水层的分布、岩性、埋深和厚度； C 含水层的渗透系数； D 地下水的补给、迳流、排泄条件及地下水的流向、流速； E 地下水的水温； F 地下水的水质； G 地下水位动态。 分析与评价 A 抽水、回灌井布置方案及抽－灌井设计 A.1 抽水、回灌井布置方案 A.2 抽－灌井设计 B 开采可行性分析 B.1 单井开采能力评价 B.2 井群开采可行性评价 C 回灌可行性分析 C.1 回灌量的可行性分析 C.2 回灌水源水质的可行性分析 D 抽水、回灌同时进行时干扰问题分析 D.1 抽、灌同步时地下水渗流场分布形态 D.2 开采与回灌的关系 D.3 开采井出水温度的变化 D.4 抽水、回灌方案对邻区抽水井的影响 E 地下水头变化对建筑地基影响的初步分析 五、关于抽－灌井设计与抽水、回灌井布置主要考虑的因素 关于抽－灌井设计与抽水、回灌井布置 抽水井的出水能力、回灌井的回灌能力主要受场地的水文地质条件的制约，在实际应用中，抽水 - 回灌井的设计、施工技术是影响其能力的关键。 影响抽水－回灌井的回灌能力的回灌井的结构主要为过滤管，在成井过程中的人工回填层以及洗井效果将影响抽水井、回灌井的工作效率。 抽水－回灌井过滤器的设计 常用过滤器主要有：填砾过滤器、骨架过滤器、缠丝过滤器、贴砾过滤器等 过滤器主要由过滤骨架和过滤层组成。 过滤骨架孔眼的大小、排列、间距与管材强度、含水层的孔隙率及其粒径有关。表 4-2 为过滤器进水孔眼直径或宽度与含水层粒径的关系数据。 过滤层的砾料应以圆形、卵圆形为佳，禁止使用棱角状碎石渣；采用的砾料成分宜采用石英岩、石灰岩，不能使用泥灰岩等软质岩石成分；砾料的粒径以及填埋厚度应该根据含水层类型来确定；在砂类土含水层中尽量加大填砾厚度，在砾石、卵石含水层中，填砾厚度可以适当减小，一般情况下，砾料厚度宜为 75-150mm 。 抽水－回灌井的施工要求 地下水换热系统的抽水井和回灌井的施工隐蔽性较强，必须找有资质的施工队伍来完成，具体施工步骤包括钻探、测井、下管、填砾、封井、洗井、抽水试验和水质分析。其中下管、填砾、封井和洗井是关键环节。 下管时要根据地层编录和测井解释的地层情况在含水层中下入过滤管，在隔水层下套管；填砾选择的砾料要与含水层颗粒大小相匹配，并均匀干净的填到过滤管外侧；在砾料层上均匀的填入粘土进行封井，避免含水层受污染；洗井通常采用活塞、空气压缩机联合洗井、泵抽洗井等方法，具体洗井方法可根据成井情况进行选择。 抽水－回灌井群布设 抽水－回灌井的布置主要考虑以下因素： （ 1 ）场地的水文地质条件； （ 2 ）建筑物的面积； （ 3 ）场地的大小； （ 4 ）拟建和已建建（构）筑物的位置； （ 5 ）管井施工条件； （ 6 ）临近建筑物的地下水地源热泵系统使用情况。 建筑容积率 建蔽率 六影响地埋管地源热泵系统的地质环境因素 影响地埋管施工和换热性能的因素包括两类 ： 地质环境 地层组合条件 土壤初始温度 土壤热物性 地下水渗流 换热孔结构 地埋管的布置形式 深度 间距 地埋管的管材 管外回填材料的传热特性 地层组合条件 第四系厚度和卵砾石地层厚度和深度决定了采用地埋管地源热泵系统的经济性。 第四系厚度大（如大于 100m ），无卵砾石地层，则适宜采用地埋管地源热泵 第四系厚度虽然大，但卵砾石地层厚度也大，则有可能不适宜采用地埋管地源热泵 第四系厚度小（如小于 30m ），下部为基岩，则较适宜采用地源热泵 巨厚的卵砾石地层，与粘性土层互层，则不适宜地埋管地源热泵 七、 地埋管换热器原理 地埋管可利用温差 : 　　　  冬季 ------ 利用深度内的平均地温与水源热泵机组合理 蒸发温度 之间的温差 . 　　例如 : 15﹣ 5 = 10℃ 　　 10﹣ 0 = 10℃( 加防冻液 ) 　　　  夏季 ------ 平均地温与水源热泵机组合理的 冷凝温度 之间的温差 . 　例如 : 15﹣ 32 = -17 ℃ 北京地区浅层地温变化曲线 北京地区不同月份地温变化曲线 地埋管换热原理 换热器换热量表达式： Q=K S (T 2 -T 1 ) -- 板式换热器 K---- 换热器传热系数 (W/(m 2 · ℃) ) 和地球的导热系 数不同 S---- 为换热面积 (m 2 ) Q=K L (T 1 -T 2 ) -- 柱状换热器 K ---- 换热器传热系数 (W/(m · ℃) )-- 是衡量换热器的性能好换的 L ---- 为换热器长度 (m) Q 为单孔换热量； λ 为综合导热系数； r1 为埋管的等效半径； r2 为热影响半径 从该式可以看出，换热器的每延米换热量 (Q/L) 在原始地温 T2 不变的情况下是管内平均液体温度 T1 的函数，所以不能直接用来设计埋管长度。而 K 比较稳定，可以从热响应试验中求得。 任何换热器传热系数 K 是反映换热能力的重要参数，数值上等于单位面积 ( 或长度 ) 单位温差的换热功率。 地埋管换热器是一种管内循环液与岩土体换热的特殊换热器，其特殊性主要表现为传热材料不均匀与传热厚度不确定，由于 K 为热阻的倒数，所以严格地讲 K 不是一定值。 通常地埋管换热器的传热系数在不同地层中为 3~5W/(m ·℃) 。 地埋管换热功率计算 　　　　　　　 　 Q ＝ D×n 式中： D 为单孔设计工况相对应的换热功率，可通过正演或现场热响应试验获得。 n 为计算面积内的换热孔数，孔间距应大于 1.7 倍的季节性热影响半径 地下水换热功率计算 适用于地下水地源热泵 地热能可利用量的计算 式中： q w—— 地下水循环利用量， m3/d ΔT—— 温差　℃ 八、 《 地源热泵系统工程技术规范 》 ( 一）传统地源热泵系统设计方法 第 1 年末某地块土壤的温度场 采用每延米换热量的设计方法 弊端有二： 1. 无法准确的确定热泵机组的参数； 2. 容易造成土壤的冷、热堆积。 （二） 《 地源热泵系统工程技术规范 》 局部修订 • C.1.4 岩土热响应试验报告应包括下列内容： 1 项目概况； 2 测试方案； 3 参考标准； 4 测试过程中参数的连续记录，应包括：循环水流量、加 热功率、地埋管换热器的进出口水温； 5 项目所在地岩土柱状图； 6 岩土热物性参数； 7 测试条件下，钻孔单位延米换热量参考值。 • C.1.8 连接应减少弯头、变径，连接管外露部分应 保温，保温层厚度不应小于 10mm 。 《 地源热泵系统工程技术规范 》 局部修订 • C.3.1 岩土热响应试验的测试过程，应遵循下列步骤： 1 制作测试孔； 2 平整测试孔周边场地，提供水电接驳点； 3 测试岩土初始温度； 4 测试仪器与测试孔的管道连接； 5 水电等外部设备连接完毕后，应对测试设备本身以及外部设备的 连接再次进行检查； 6 启动电加热、水泵等试验设备，待设备运转稳定后开始读取记录 试验数据； 7 岩土热响应试验过程中，应做好对试验设备的保护工作； 8 提取试验数据，分析计算得出岩土综合热物性参数； 9 测试试验完成后，对测试孔应做好防护工作。 《 地源热泵系统工程技术规范 》 局部修订 C.3.3 岩土热响应试验应在测试孔完成并放置至少 48h 以后进行。 • C.3.5 岩土热响应试验测试过程应符合下列要求： 1 岩土热响应试验应连续不间断，持续时间不宜少于 48h ； 2 试验期间，加热功率应保持恒定； 3 地埋管换热器的出口温度稳定后，其温度宜高于岩土 初始平均温度 5℃ 以上且维持时间不应少于 12h 。 • C.3.6 地埋管换热器内流速不应低于 0.2m/s 。 • C.3.7 试验数据读取和记录的时间间隔不应大于 10 分钟 谢谢！