PAGEPAGE1哈爾濱卷煙廠易地搬遷項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)方案及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析哈工大——龍冶新能源研究應(yīng)用中心2010-8-12前言1、淺層地?zé)崾乔鍧嵞茉吹乇頊\層地?zé)豳Y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(yáng)能、地?zé)崮芏N(yùn)藏的低溫低位熱能。地表淺層是一個(gè)巨大的儲(chǔ)能器，經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能及地心能在較長(zhǎng)時(shí)間的平衡，使地球淺層形成一個(gè)隨地域變化而溫度變化的恒溫層。它真正是量大面廣、無(wú)處不在。這種儲(chǔ)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(shù)地源熱泵是利用淺層地?zé)岬男钅芴攸c(diǎn)進(jìn)行供熱、制冷的新型能源利用技術(shù)。地源熱泵通過(guò)輸入少量的高品位能源（如電能），實(shí)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(gè)年度形成一個(gè)冷熱循環(huán)。地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高40%，因此要節(jié)能和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用40%左右。3、地?zé)峁┡h(huán)境效益顯著地源熱泵系統(tǒng)由于利用淺層土壤的儲(chǔ)能特性進(jìn)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(wú)燃燒，故無(wú)排放物，無(wú)污染物，無(wú)廢棄物。4、一機(jī)多用，應(yīng)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(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來(lái)的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)，適合于無(wú)集中供熱區(qū)域的冬季供暖和夏季制冷。同時(shí)一套系統(tǒng)也減少了兩套系統(tǒng)的系統(tǒng)維修維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用。一、工程概況本工程為黑龍江煙草工業(yè)有限責(zé)任公司"十一·五”哈爾濱卷煙廠易地搬遷項(xiàng)目，位于黑龍江省哈爾濱市松北區(qū)，擬采用太陽(yáng)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(shù)研發(fā)中心19844m2，后勤保障設(shè)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(shè)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(wú)浪費(fèi)、無(wú)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(jì)運(yùn)行的根本保證。經(jīng)對(duì)本項(xiàng)目的研究和哈爾濱市對(duì)地下水資源管理的相關(guān)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(diǎn)：A系統(tǒng)穩(wěn)定，無(wú)需定時(shí)檢修；B不需要直接提取地下水和利用地下水的水量，不會(huì)對(duì)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(wú)地下水資源費(fèi)；C初投資相對(duì)較大。(2)豎孔孔徑及數(shù)量確定經(jīng)初步估算，本項(xiàng)目地埋管孔徑及數(shù)量確定如下：本工程共需設(shè)置豎孔570個(gè)，豎孔采用雙U型管結(jié)構(gòu)，井孔深為120m，豎埋孔數(shù)量根據(jù)具體項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行校核調(diào)整。（3）鉆機(jī)選擇根據(jù)鉆機(jī)的泥漿循環(huán)方式鉆機(jī)可分為：正循環(huán)鉆機(jī)和反循環(huán)鉆機(jī)。正循環(huán)鉆機(jī)和反循環(huán)鉆機(jī)，都是通過(guò)鉆井液(泥漿)的循環(huán)進(jìn)行保護(hù)鉆井井壁和出渣的，即通過(guò)鉆井液(泥漿)的循環(huán)，把鉆孔里的鉆渣帶出來(lái)，它們?cè)阢@進(jìn)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(jī)的鉆井液(泥漿)是由泥漿泵從泥漿池里抽到鉆桿里，通過(guò)鉆桿不斷的輸送到鉆井里，然后從鉆井井口自然的排出來(lái)，同時(shí)把鉆渣帶出到地面上來(lái)。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(lái)，鉆井里殘留的鉆渣比較多，影響了鉆進(jìn)速度，鉆具的磨損也比較大。

反循環(huán)鉆機(jī)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(lái)，所以循環(huán)能力和排渣能力都比較強(qiáng)，不但排渣比較干凈，而且顆粒比較大的鉆渣也能排出來(lái)，像雞蛋大的鉆渣都能排出來(lái)。根據(jù)項(xiàng)目所在地的地質(zhì)情況，地下結(jié)構(gòu)復(fù)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(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)采用正循環(huán)鉆機(jī)鉆井采用泥漿護(hù)壁時(shí)，需調(diào)泥漿稠度相對(duì)偏高，為保證灌漿的質(zhì)量需將豎埋孔內(nèi)的泥漿沖出，當(dāng)沖出泥漿時(shí)，壓力過(guò)大，容易造成砂層塌方；如不將泥漿沖出，則泥漿稠度偏高會(huì)灌漿困難，需長(zhǎng)時(shí)間沉淀，反復(fù)灌漿，灌漿質(zhì)量得不到保障，同時(shí)對(duì)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(jī)。根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)采用反循環(huán)鉆機(jī)鉆孔，反循環(huán)鉆機(jī)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(wèn)題，可直接進(jìn)行灌漿，灌漿速度快，密實(shí)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(qiáng)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(dǎo)熱率的增加而不斷提高，但回填材料導(dǎo)熱率并非越高越好，而是應(yīng)該接近且稍高于鉆井周圍巖土層的導(dǎo)熱率。地埋管的回填材料及回填效果對(duì)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(gè)沉淀期，達(dá)到一定的密實(shí)度。建議地埋管的施工要提前，可以和建筑物的基礎(chǔ)工程同時(shí)進(jìn)行，以保證地埋管的技術(shù)要求。（5）經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏查，建設(shè)區(qū)域自然地坪不平整，并需回填，考慮到科學(xué)施工、節(jié)約成本的原則，建議在場(chǎng)地回填前鉆孔。3、地埋管部分熱平衡問(wèn)題的解決措施哈爾濱屬于嚴(yán)寒地區(qū)，冬季寒冷漫長(zhǎng)，土壤平均溫度在8°C左右，冬季供暖時(shí)間長(zhǎng)，機(jī)組從地下土壤中取得熱量多，而夏季空調(diào)時(shí)間短，機(jī)組向地下排放的熱量偏少，長(zhǎng)期運(yùn)行，土壤溫度會(huì)逐年下降；冬夏負(fù)荷的不平衡對(duì)土壤溫度場(chǎng)恢復(fù)是極為不利的，長(zhǎng)期運(yùn)行后若土壤溫度過(guò)低，將嚴(yán)重影響土壤源熱泵系統(tǒng)的性能，機(jī)組效率會(huì)逐年降低,因此對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)的土壤源熱泵系統(tǒng)，應(yīng)重點(diǎn)考慮長(zhǎng)期運(yùn)行后土壤溫度場(chǎng)的變化情況。措施（1）：引入太陽(yáng)能季節(jié)蓄熱解決平衡由于本工程需要部分熱水供應(yīng)，可使用清潔能源太陽(yáng)能熱水供應(yīng)。由于太陽(yáng)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(yáng)能集熱系統(tǒng)相結(jié)合，收集非采暖季節(jié)的太陽(yáng)能或空氣中的熱能，并通過(guò)土壤換熱器儲(chǔ)存到自然的土壤中，冬季再利用熱泵將熱量提取出來(lái)為建筑物供暖。這種季節(jié)性的土壤蓄熱，不僅可以恢復(fù)和提高土壤溫度，而且還能將非采暖季節(jié)豐富的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)移到冬季使用，有效的增加了太陽(yáng)能作為可再生能源熱利用的范圍，土壤溫度場(chǎng)能夠得到及時(shí)恢復(fù)，從而使熱泵運(yùn)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(yáng)能集熱器膨脹水箱ⅦI土壤換熱器ⅡⅢ熱泵機(jī)組P1P3P2板式換熱器1234567891213141011151617181920閥門調(diào)速水泵溫度測(cè)點(diǎn)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(xiàng)目二期工程中由于通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中使用新風(fēng)較多，夏天空調(diào)負(fù)荷較大，可考慮將這部分熱量釋放到地下儲(chǔ)存，以平衡冬季向地下釋放的冷量，保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期有效運(yùn)行。原理圖如下：（3）能量提升系統(tǒng)依據(jù)上述冷熱負(fù)荷及地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)，機(jī)房主要配置如下表。序號(hào)設(shè)備名稱設(shè)備參數(shù)（單臺(tái)）數(shù)量電功率（kW）備注1能量提升器Qr=973kWQl=942kW2Qr=208kWQL=176kW主機(jī)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(dòng)軟水器3.0~4.0m3/h17補(bǔ)水箱2600*2200*20001V=8m38定壓罐D(zhuǎn)N80019補(bǔ)水泵Q=3.2m3/hH=32m12.2機(jī)組向末端提供50/45℃的熱水，根據(jù)需要可設(shè)備用機(jī)組一臺(tái)。（4）能量釋放系統(tǒng)供暖時(shí)熱泵的出水溫度在45℃左右，考慮到系統(tǒng)運(yùn)行效率和用戶運(yùn)行費(fèi)用，建筑物的末端形式多采用地板采暖方式，且對(duì)地板采暖的單個(gè)環(huán)路長(zhǎng)度和平衡有相應(yīng)要求。夏季需要空調(diào)的房間也可采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)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(jìn)行計(jì)算，可由太陽(yáng)能集熱器或熱泵單獨(dú)提供，也可由二者聯(lián)合提供，生活熱水部分的設(shè)計(jì)，需在詳細(xì)數(shù)據(jù)計(jì)算后補(bǔ)充。六、太陽(yáng)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(yáng)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(yīng)、冷熱負(fù)荷動(dòng)態(tài)特點(diǎn)及二期空調(diào)負(fù)荷的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(xì)數(shù)據(jù)之后進(jìn)行。六、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析本項(xiàng)目的冬季熱負(fù)荷為1821kW，夏季冷負(fù)荷為1619kW。1、冬季供暖經(jīng)濟(jì)分析：1）供暖熱負(fù)荷Qr=1821kw2）采暖天數(shù)：179天日工作24小時(shí)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(bǔ)水泵間歇運(yùn)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(fèi)：當(dāng)采用民用每度電價(jià)為SP1=0.51，則采暖部分折合每平方米每個(gè)采暖季的用電費(fèi)用：S1=SP1﹒E=0.51×35.53=18.12元/m2采暖季（民用電）當(dāng)采用工業(yè)每度電價(jià)為SP1=1，則采暖部分折合每平方米每個(gè)采暖季的用電費(fèi)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(wàn)元每年采暖總：35.53×40000=142.12萬(wàn)元2、夏季制冷經(jīng)濟(jì)分析1）供冷總負(fù)荷：Q1=1619kw2）制冷天數(shù)60天日工作8小時(shí)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.