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試析降低豎直型土壤源熱泵換熱器造價的技術途徑

點擊:1573 日期:[ 2014-04-26 22:00:54 ]
                      試析降低豎直型土壤源熱泵換熱器造價的技術途徑                                         龔偉申                      南京鐵道職業技術學院蘇州校區江蘇蘇州  215137     摘要:本文通過對建筑物負荷計算設計,土壤試驗井熱響應,地下換熱器布置設計及施工方法等技術分析,認為現 階段土壤源熱泵空調地下換熱器的造價還有下降的空間。     關鍵詞:土壤源熱泵  換熱器  造價  分析     1.概述     隨著我國節能減排發展戰略的實施,研究和利用新型節能環保空調已成為當前社會重要課題,由于土壤源熱泵具有制冷性能系數高、節能效果好、利用可再生能源、環保效果好、系統 簡單、維護方便等優點,已在歐美國家廣泛地應用,我國各地在政府的積極支持推動下,土壤源熱泵空調也在建筑領域得到了迅速發展。但土壤源熱泵空調造價比傳統型空調貴,而使業主望而生畏,制約了土壤源熱泵的推廣使用,因此,降低土壤源熱泵的造價,減少其一次性的投入,對土壤源熱泵在空調領域的發展具有重要意義。本文重點對土壤源熱泵換熱器的造價影響的技術因素進行分析,供工程應用參考。     地源熱泵系統(土壤源)的初投資比傳統系統看似偏高,使消費者(開發商)擔心使用該技術是否會使工程價格升高,影響著一些消費者對于該技術的認可。但地源熱泵系統免除了能 源傳遞輸送過程中的基礎設施投資,而且該系統還能同時供 冷(暖)和供新風(并可供生活用水),綜合成本將大大節約的 價格優勢,卻并未能被消費者全面認識。在一千平方米的辦公 樓中使用地源熱泵,冬季24小時運行,室溫保持在22℃—24℃, 其一天電耗僅為140~150度。如果將初投資、運行費用、維修費 用、使用年限、土地使用、基礎建筑、能源使用等條件綜合考慮, 每日單位負荷費用均低于其他各類空調。     土壤源熱泵價格分三個部分,室內末端部分、機房部分、室外地埋部分,土壤源熱泵空調造價主要貴在室外地下換熱器,土壤源熱泵是把建筑物的負荷通過地下換熱器與土壤進行熱交換,夏季把建筑物的熱量轉移進土壤,冬季再把土壤中的熱 量轉移到建筑物,因此,地下換熱器是土壤源熱泵至關重要的設備。土壤源熱泵換熱器分水平型與豎直型兩種,選用水平型或豎直型換熱器由可利用土地面積、土壤的類型和挖掘費用而定,若有大量的土地、且開掘方便,則水平型換熱器比較經濟。豎直型換熱器占地相對少些,因此,在城市等土地比較緊張的 地方則多數采用豎直型換熱器,它需要機械鉆井和比較高的技術回填,其工程造價相對要高些。目前,城市土壤源熱泵空調工程建設中,均采用豎直型地下換熱器,影響豎直型換熱器造價的技術因素主要有如下幾個方面。     2.影響地下換熱器造價因素分析     2.1建筑物負荷計算的影響     由土壤換熱器長度的工程設計公式:                       式中:Qc為夏季向土壤中排放的熱量(KW)     Lc為管換熱器長度     Q1為夏季設計總冷負荷(KW)     可知:換熱器長度與熱泵的額定負荷成正比,若建筑物計 算負荷大,則所需換熱器的長度增長,工程造價也相應增加。 目前建筑物空調工程均需進行負荷計算,設計院一般采用一些 計算軟件,計算方便、數據祥細。但在實際設計計算中存在如 下的問題:如室內溫度選擇過高或過低,冬、夏季室內計算溫度 選擇過高或低,有些場所如門廳、過道,設計時,冬、夏季就選擇 高些或低一些,應為27℃或18℃,但實際計算中往往都選用 26℃或20℃,造成負荷計算偏大;再者,有的工程夏季室內相對 濕度選擇為50%,按設計空調的設計規范,夏季室內相對濕度就為60%,空調設備要降低室內相對濕度,同樣會增加建筑物 負荷的轉移;辦公室人數選擇過多,使得新風量選擇過大;房間 同時使用系數過大,有些建筑物內的空間使用頻率很低,但也 按每天使用計算,導致建筑物總體負荷增大。所以建筑物負荷 的計算大小影響著地下換熱器的長度。     從設計計算公式可知:選用的水冷式制冷機組能耗比高, 則換熱器所需的長度相應減少,所以選用高效的制冷機組,也 是降低地下換熱器造價的途徑之一。     2.2 土壤特性測試的影響     由換熱器長度設計公式可知:土壤換熱能力與換熱器長度成反比,但實際設計中,上述計算方法比較繁瑣,且部分數據不易獲取,所以很多設計采用管材“換熱能力”來計算管長,其計算式為:     L c =1000Qc/ql     式中:ql為每米管長換熱量(W/M)由測試獲得。因此,土壤源地埋管熱響應測試就顯得非常重要,測試規 范、正確、地埋管換熱能力的合理性,對換熱器長度計算至關重 要,有些測試報告過于草率,給出的換熱能力與實際土壤特性 不符,測試報告參數偏低,使得工程設計的地下換熱器長度過長,工程造價偏高,這方面應引起有關部門重視并作出規范測試條例,保證地埋管熱響應測試的正確性及合理性,以利土壤 源熱泵技術的推廣應用。如長江三角洲地區,地下水系豐富,滲流頻繁,理應地埋管熱響應測試中換熱能力在60W/M以上,但有些工程測試中偏低,測試的換熱能力僅為60W/M以下,,如某臨湖工程的建筑物負荷為2500KW,豎直地埋管井深為100M, 水冷式制冷機的COP為5,采用單U形式,由計算公式得:                    Qc=Q1(1+1/COP1)=2500(1+1/5)=3000KW      當地埋管的換熱能力為56W/M時,換熱器長度計算為:                      L c =Q c *1000/28=107142.86M     則鉆井數為:N=Lc/nH     式中:H為豎井深度(M)     n為豎井中的管數     則:N1=Lc/2H=107142.86/2*103=536口     當地埋管的換熱能力為60W/M時,換熱器長度計算為:                            Lc=Qc*1000/30=100000M     則鉆井數為:     N1=Lc/2H=100000/2*103=500口     若每口井造價為6000元,則由于“換熱能力”參數的差異, 換熱器的施工投入將差21.6萬元。     2.3換熱器的設計與布置的影響     地下換熱器設計中,確定井數時,在考慮豎直井系統布置 時,往往計算結果圓滿后,井數均擴大,而加大造價,再則在選 擇單U或雙U時,對造價的影響也是很大的。要視當地地質條件 來選擇,若地質以粘土為主,鉆井容易,鉆井費用低,則選擇單 U較經濟;若地質以巖石為主,鉆井困難,鉆井費用昂貴,則選 擇雙U為好,若布置地下換熱器用地緊張,則雙U也是一種選 擇。如某工程建筑負荷為2500KW,當地土壤主要以粘土為主, 地埋管熱響應測試的換熱能力:單U為56W/M,雙U為67W/M,豎直井深為100M,則采用單U形式的地下換熱器,需要的井數 為525口井,采用雙U形式的地下換熱器,需要的井數為436口 井,一口單U井的鉆井費為230元,其管材料費為200×7=1400 元,該工程單U型換熱器造價為86.064萬多元。一口雙U井的鉆 井費為250元,其管材料費為400×7=2800元,該工程雙U型換 熱器造價為132.98萬多元;由于井數不等,總的換熱器的水平 管也不等,若流程布置相似,則水平管雙U形式的換熱器比單U 形式的換熱器少1000M,則水平管的造價單U比雙U要多10萬元 左右,因此,總體造價雙U形式的地下換熱器比單U形式的地下 換熱器貴36.9萬元。     若地質以巖石為主,同樣100M井深,一口井需要十天才能 鉆好,其鉆井費為5750元,則一口單U型的豎直井造價為7150 多元,一口雙U型的豎直井造價為8550多元,而雙U井的換熱能 力比單U井約增加15%左右,雙U井的水平管造價要低于單U 井,所以這種地質條件下,選用雙U井的造價要略低些。     2.4 地下全年熱平衡處理的影響     土壤溫度場在沒有外界的巨大干擾下,溫度基本是穩定的, 偶爾有相對較小的波動,但冷(熱)遷移比較緩慢.當土壤源熱泵 采集淺層地能時,將會對淺層地下溫度場造成很大的變化,為使 地下溫度場保持平衡,應該進行冷、熱平衡計算:即夏季向地源 排放的熱量就等于冬季獲取的熱量,這樣才能避免地下局部冷 熱島現象。但由全年負荷計算可知,在北方夏季的負荷小于冬 季負荷,在南方夏季的負荷大于冬季負荷,為降低土壤源熱泵 地下換熱器的造價,南方夏季多出的負荷可以通過冷卻水塔來 轉移,這樣可以減少打井數目,     2.5 換熱器施工方法的影響     整個豎直型土壤源熱泵換熱器由豎直井與水平聯通管組 成,為確保換熱器使用的安全,施工時,水平聯通管需埋在離地 面2M以下,為了水平管的連接,豎直管的上端2M的PE管被切 割,則一口單U井切割下的PE管為4M,若按上述工程井數為 528口,則切割下的管長總共為2112M,,浪費垂直管造價14784 元,若在U形制作時,從工廠定制98M,再融接2M廢料管,這樣 可以降低一些造價。     3.結論     通過上述對地下換熱器造價的技術因素的分析可知:精確 的建筑物負荷計算設計,正確、規范的土壤試驗井熱響應,合理 的地下換熱器布置設計及施工方法,有利于降低土壤源熱泵空 調地下換熱器造價。     參考文獻:     [1]刁乃仁,方肇洪.地埋管地源熱泵技術[M].北京:中國高等 教育出版社.     [2]蔣能照,劉道平.水源地源水環熱泵空調技術及應用[M].北 京:中國機械工業出版社. 
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