戴銀寶

( 華東建筑設計研究院有限公司,上海 200070 )

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江陰某別墅地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設計與總結

戴銀寶

( 華東建筑設計研究院有限公司,上海 200070 )

[摘要]地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)由于是一種高效節(jié)能環(huán)保型的空調(diào)系統(tǒng),近年來已經(jīng)受到人們的極大重視。本文以江陰某別墅地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設計為例,淺析地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在暖通設計中的應用,以求能為類似項目提供相關的經(jīng)驗及依據(jù)。

[關鍵詞]地源熱泵；淺層地熱能資源；地埋管換熱系統(tǒng)；土壤熱平衡；熱回收

0引言

可再生能源在建筑中的應用是建筑節(jié)能工作的重要組成部分,淺層地熱能是可再生能源的重要類型，借助熱泵技術將淺層地熱能應用在建筑節(jié)能領域已受到政府和全社會的高度重視。但由于地源熱泵系統(tǒng)的特殊性，其設計方法是業(yè)內(nèi)人士普遍關注的問題。本文以實際工程為例，介紹某別墅地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設計過程，通過采用帶熱回收的地源熱泵系統(tǒng)解決土壤的熱平衡問題，并就地源熱泵熱回收和太陽能提供生活熱水的方式作簡要的分析。

1工程概況及室內(nèi)外設計參數(shù)

本工程地處江蘇省江陰市，為居住建筑，總建筑面積約11萬平方米。其中1～5號樓為高層住宅，6～27號樓為聯(lián)排別墅，28號樓為商業(yè)會所，地下一層及二層主要用途為汽車庫、設備用房和人防區(qū)域。聯(lián)排別墅部分采用地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，本文僅對6#別墅設計過程詳細說明，其余別墅基本類似。6#別墅空調(diào)面積共281.72m2，室外、內(nèi)設計參數(shù)見表1、表2。

表1室外空氣計算參數(shù)

季節(jié)空調(diào)干球溫度(℃)濕球溫度或相對濕度(℃)或(%)通風計算溫度(℃)極端溫度(℃)平均風速(m/s)大氣壓力(hPa)供暖計算溫度(℃)主導風向夏季34.428.3℃31.338.83.51003.7SE冬季-2.577%3.7-8.33.51024.1-0.4N

表2室內(nèi)空氣設計參數(shù)

區(qū)域名稱夏季溫度(℃)RH(%)冬季溫度(℃)RH(%)新風量(m3/h·p)噪聲dB(A)備注臥室256020≥405040起居室256020≥405045書房256020≥403040

2空調(diào)系統(tǒng)

2.1冷熱負荷計算

利用可再生地熱能作為空調(diào)冷熱源的熱泵系統(tǒng)，被稱為是21世紀的一項以節(jié)能和環(huán)保為特征的最具有發(fā)展前途的綠色空調(diào)技術。本工程采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源，為保證土壤熱平衡采用帶熱回收的地源熱泵系統(tǒng)，同時提供生活熱水供應，空調(diào)負荷計算數(shù)值見表3。

表3空調(diào)負荷計算表

戶型空調(diào)面積(m2)夏季負荷指標(W/m2)夏季負荷(kW)冬季負荷指標(W/m2)冬季負荷(kW)熱水負荷(kW)6#281.7213036.810830.612.5

2.2空調(diào)冷熱源系統(tǒng)

每戶單獨采用一套帶熱回收的地源熱泵系統(tǒng)，可提供生活熱水。分離式地源熱泵機組設置在地下室機房內(nèi)(內(nèi)置埋管側水泵、空調(diào)側水泵和生活熱水泵)，制冷時熱泵機組將熱量釋放到地埋管中，空調(diào)側進出水溫度為7℃/12℃，地源側供回水溫度為30℃/35℃；制熱時熱泵機組從地埋管中吸取熱量，空調(diào)側進出水溫度為45℃/40℃，地源側供回水溫度為10℃/5℃。地埋管換熱器系統(tǒng)為豎直埋管換熱系統(tǒng)，鉆孔埋管換熱器采用雙U型埋管方式?？照{(diào)系統(tǒng)原理圖見圖1。

圖1　空調(diào)系統(tǒng)原理圖

2.3設備選型

根據(jù)本項目的特點，選用1臺熱回收型地源熱泵冷溫水機組，性能參數(shù)如表4。

2.4地源熱泵土壤換熱器計算

根據(jù)現(xiàn)場土壤熱響應測試報告確定單U井夏季(冬季)土壤換熱量為：55W/m(35W/m)，而根據(jù)現(xiàn)場實際情況綜合考慮最終確定設計為雙U井，則雙U井夏季(冬季)土壤換熱量為：60W/m(40W/m)。本項目為每家自成一個系統(tǒng)，不采用加冷卻塔的方式來考慮熱平衡，采用熱回收方式并適當放大埋管量通過土壤在過渡季節(jié)自身散熱來解決熱平衡問題。熱回收部分根據(jù)水專業(yè)計算值進行適當放大后考慮。

地下土壤作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源，其作用相當于換熱器，空調(diào)系統(tǒng)從土壤中取冷、取熱。

表4設備性能參數(shù)表

編號名稱型號與規(guī)格單位數(shù)量備注1地源熱泵機組(地源工況)制冷量:40.6kW;制熱量:42kW;熱回收量:41.6kW制冷輸入功率:11.4kW;制熱輸入功率:12.5kW;熱回收輸入功率:12.5kW制冷時:冷凍水進出口溫度:12℃/7℃;冷凝器進出口溫度:30℃/35℃供熱時:熱水進出口溫度:40℃/45℃;蒸發(fā)器進出口溫度:10℃/5℃臺1內(nèi)部切換2地源側循環(huán)泵L=8.5m3/h;H=28m;N=2.2kW臺23空調(diào)側循環(huán)泵L=7.0m3/h;H=25m;N=2.2kW臺1機組自帶4熱水循環(huán)泵L=7.15m3/h;H=6～8m;N=0.55kW臺1機組自帶5電子水處理儀DN70臺1地源側6電子水處理儀DN70臺1空調(diào)側7定壓罐19L只1地源側8定壓罐13L只1空調(diào)側9水箱350L個1

最大取冷量、取熱量確定[1]，如式(1)、式(2)：

(1)

(2)

式中:

Qk—土壤換熱器最大取冷量，kW；

Q0—土壤換熱器最大取熱量，kW；

Qc—建筑設計冷負荷，或由地埋管熱泵系統(tǒng)承擔的冷負荷，36.8 kW；

Qh—建筑設計熱負荷，或由地埋管熱泵系統(tǒng)承擔的熱負荷，30.6 kW；

COPc—水源熱泵機組制冷性能系數(shù)，取3.55；

COPh—水源熱泵機組制熱性能系數(shù)，取3.35；

根據(jù)上式計算得：

夏季最大釋熱量(土壤換熱器最大取冷量)：

Qk=(36.8 -12.5)×(1+1/3.55)

=31.1(kW)；

冬季最大吸熱量(土壤換熱器最大取熱量)：

Q0=(30.6+12.5)×(1-1/3.35)

=30.2(kW)；

按冬季工況確定的地埋管換熱器(或換熱井)數(shù)量[1]可按式(3)計算：

(3)

式中:

N—地埋管換熱器(或換熱井)數(shù)量，個；

Q0—地埋管換熱系統(tǒng)取熱量，kW；

α—換熱器管群附加修正系數(shù)，取值范圍從0.8～0.95。井間距較小、換熱器管群規(guī)模較大取較小值，反之，取較大值；

q0—每延米換熱器(井)的取熱量(實測法數(shù)值)，W/m；

l—換熱器(井)的有效深度，m；

β—安全裕量系數(shù)，取5%～10%；

按夏季工況確定的地埋管換熱器(或換熱井)數(shù)量[1]可按式(4)計算：

(4)

式中:

N—地埋管換熱器(或換熱井)數(shù)量，個；

Qk—地埋管換熱系統(tǒng)設計釋熱量，kW；

α—換熱器管群附加修正系數(shù)，取值范圍從0.8～0.95。井間距較小、換熱器管群規(guī)模較大取較小值，反之，取較大值；

qk—每延米換熱器(井)的釋熱量(實測法數(shù)值)，W/m；

l—換熱器(井)的有效深度，m；

β—安全裕量系數(shù)，取5%～10%；

地埋管換熱器(或換熱井)數(shù)量計算結果見表5：

表5地埋管換熱器(或換熱井)數(shù)量計算

樓號季節(jié)井深(m)設計計算井數(shù)(口)最終確定井數(shù)(口)6#夏季4015冬季402124

根據(jù)現(xiàn)場場地情況，鉆孔內(nèi)設雙U型地埋管換熱器，垂直埋管的外徑為De25，鉆孔直徑為150mm，由于別墅各個區(qū)域地下巖石的影響，所以最終確定6#別墅井深為40米，打井24口。

2.5土壤熱平衡分析

計算條件：夏季制冷期為120天(6月1日～9月30日),冬季采暖期為120天(11月15日～3月15日)，機組每天運行10個小時，考慮制冷季總冷負荷系數(shù)取0.7，制熱季總熱負荷系數(shù)取0.75。

整個制冷期向土壤排放的總熱量：

?1=31.1×0.7×10×120=26124(kWh)

整個制熱期從土壤吸收的總熱量：

?2=30.2×0.75×10×120=27180(kWh)

制取生活熱水從土壤吸收的總熱量：

?3=12.5×(1-1/3.35)×125

=1096(kWh)

冷熱不平衡率U=[(?2+?3)-?1]/(?2+?3)=7.6%<10%,滿足規(guī)范要求。

全年取熱量和釋熱量相差不大于10%[1]，同時，不同時間、不同季節(jié)合理開啟不同的換熱器也可達到穩(wěn)定地下土壤溫度的目的。

3生活熱水熱源的比較

江陰地區(qū)地處無錫，根據(jù)無錫市的規(guī)定2008年3月1日以后委托施工圖設計審查的城鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)新建12層及以下住宅(含農(nóng)民拆遷安置房)和新建、改建、擴建的賓館、酒店、商住樓等有熱水需求的公共建筑，應統(tǒng)一設計和安裝太陽能熱水系統(tǒng)。符合上述應用范圍的市區(qū)項目，擬不采用太陽能熱水系統(tǒng)的，需要給出書面理由。由于本項目在規(guī)定范圍之內(nèi)，所以需要對熱回收型地源熱泵系統(tǒng)提供生活熱水和太陽能提供生活熱水作相應的比較，本處僅對運行能耗方面作簡要分析。

對于地源熱泵系統(tǒng)部分能耗：

夏季空調(diào)耗電量：

11.4 kW×10 h×120天=13680 kWh

冬季空調(diào)耗電量：

12.5 kW×10 h×120天=15000 kWh

生活熱水耗電量：

12.5 kW×1 h×365天=4562.5 kWh

合計全年耗電量為33242.5 kWh。

如使用太陽能熱水，則空調(diào)部分常用的系統(tǒng)形式為變頻多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)，其性能系數(shù)需滿足江蘇省公共建筑節(jié)能標準的要求，根據(jù)項目的冷熱負荷，擬選用一臺16HP的多聯(lián)機，制冷量為45 kW，制冷耗電量為13.7 kW，制熱量為50 kW，制熱耗電量為14.2 kW，全年空調(diào)能耗為：

夏季空調(diào)耗電量：

13.7 kW×10 h×120天=16440 kWh

冬季空調(diào)耗電量：

14.2 kW×10 h×120天=17040 kWh

合計多聯(lián)機空調(diào)部分全年耗電量為33480 kWh，僅空調(diào)部分已經(jīng)比地源熱泵系統(tǒng)多損耗237.5 kWh，還未計入太陽能熱水器的耗電量以及輔助加熱部分的耗電量，所以本工程別墅采用地源熱泵系統(tǒng)比采用太陽能熱水系統(tǒng)和變頻多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)綜合能耗低，選用地源熱泵帶熱回收系統(tǒng)提供生活熱水是合適的。

4結語

(1)在華東地區(qū)，建筑物夏季空調(diào)冷負荷大于冬季熱負荷，地源熱泵埋管區(qū)域存在熱積累，出現(xiàn)嚴重的冷熱量失衡，導致土壤溫度逐年升高，影響系統(tǒng)長期運行效果。因此，合理解決土壤熱平衡問題成為地源熱泵系統(tǒng)長期高效運行的技術關鍵。

(2)采用帶熱回收的地源熱泵系統(tǒng)，能很好的解決土壤熱平衡問題，同時也可有效降低系統(tǒng)投資并提供生活熱水，提高系統(tǒng)的運行節(jié)能效果。

5參考文獻

[1] 南京市建筑設計研究院有限責任公司.DGJ32/TJ89-2009 地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)程[S].南京：鳳凰出版?zhèn)髅郊瘓F江蘇科學技術出版社，2010

[2] 江蘇省建筑設計研究院有限公司.DGJ32/J96-2010 公共建筑節(jié)能設計標準[S].南京：鳳凰出版?zhèn)髅郊瘓F江蘇科學技術出版社，2010

Design And Conclusion of Ground-source Heat Pump System of a Villa in Jiangyin

DAI Yinbao

( East China Architectural Design & Research Institute Co.,Ltd.，Shanghai 200070 )

Abstract：The ground-source heat pump system is a highly efficient energy-saving environmental protection air conditioning system,in recent years it has been heavily promoted by the people.This paper，taking a ground- source heat pump system design of a villa for an example，analyses the application of the ground- source heat pump system in hvac design，in order to provide relevant experience and basis for similar projects.

Key words：Ground-source Heat Pump；Shallow geothermal resources；Ground heat exchange system；Soil thermal balance；Heat recovery

收稿日期：2015-8-30

作者簡介：戴銀寶(1987-)，男，工程師，主要從事暖通設計。Email：1064409928@qq.com

文章編號：ISSN1005-9180(2016)01-053-06

中圖分類號：TU831文獻標示碼：B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.04.010