單位面積換熱功率與地源熱泵適宜區(qū)劃分

袁永東

上海市地礦工程勘察院

0 引言

豎直地埋管地源熱泵是以巖土體為低溫?zé)嵩矗蔁岜脵C(jī)組、地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的供熱空調(diào)系統(tǒng)。由于地層常年能保持較穩(wěn)定的溫度，受室外氣象條件的影響較小，因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術(shù)障礙，且效率能大大提高。此外，地源熱泵還是一種環(huán)境效益顯著、運(yùn)行簡單，管理方便、使用壽命長的節(jié)能技術(shù)，因此，在全國大部分地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用[1]。

要科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)地建成一個(gè)地源熱泵項(xiàng)目，須經(jīng)過可行性研究、勘察、設(shè)計(jì)施工和運(yùn)行管理等階段，而項(xiàng)目可行性研究階段需判斷特定建筑是否適宜采用地源熱泵技術(shù)。單位面積換熱功率是綜合考慮地區(qū)水文地質(zhì)條件、地層屬性、地溫場特征、巖土體熱物參數(shù)、覆蓋層厚度等因素的一個(gè)綜合參數(shù)，其大小可衡量埋管區(qū)域巖土體換熱能力[2～3]。根據(jù)建筑負(fù)荷特性、建筑用地面積、容積率、單孔換熱功率等，計(jì)算比較埋管區(qū)域單位面積的換熱功率，從而對(duì)上海地區(qū)地源熱泵適宜區(qū)進(jìn)行劃分。

1 計(jì)算單位面積換熱功率

淺層地?zé)崮艿膽?yīng)用建筑類型較廣泛，對(duì)未建設(shè)區(qū)，按土地利用規(guī)劃性質(zhì)可分為住宅區(qū)（如住宅、別墅）、商務(wù)區(qū)（如辦公樓、旅館、醫(yī)院、學(xué)校、餐飲及商場等）、工業(yè)區(qū)（如工業(yè)廠房）以及工業(yè)基地。由于不同類型建筑的使用功能、人員密度、室內(nèi)設(shè)備、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型、空調(diào)舒適度要求以及運(yùn)行時(shí)間等均有所差異，造成冬、夏季空調(diào)冷熱指標(biāo)不盡相等，表1列出了主要土地利用規(guī)劃性質(zhì)區(qū)域的常見類型建筑的冷熱指標(biāo)及運(yùn)行情況[4～5]。

表1 不同建筑類型的冷、熱指標(biāo)q

針對(duì)某一規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的某一建筑（群），若在規(guī)定的用地范圍內(nèi)建造的總建筑面積為一定時(shí)，則該區(qū)域的建筑容積率可用下式表示：

式中：A為總建筑面積，對(duì)于工業(yè)建筑，則表示廠區(qū)建筑面積與構(gòu)筑物面積之和，m2；S為用地面積，m2；0.9為考慮區(qū)域內(nèi)道路面積后用地面積的利用系數(shù)；C為容積率。

在已知各類型建筑的冷熱指標(biāo)時(shí)，可根據(jù)建筑物的建筑面積估算出該建筑（群）的空調(diào)冷、熱負(fù)荷：

式中：Q為空調(diào)總冷（熱）負(fù)荷，W；70%為空調(diào)面積占建筑總面積的比率；q為空調(diào)冷熱負(fù)荷指標(biāo)，W/m2。

根據(jù)空調(diào)冷、熱負(fù)荷可計(jì)算出單位面積換熱功率Dq3：

針對(duì)不同類型的建筑以及不同范圍的建筑容積率，可對(duì)單位面積的換熱功率作如下分類計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 不同類型建筑單位面積的換熱功率

2 實(shí)際單位面積換熱功率

由于以上所得的計(jì)算單位面積換熱功率Dq3為僅考慮建筑物空調(diào)負(fù)荷所得的結(jié)果，忽略了熱泵機(jī)組向巖土體釋放或吸收的熱量，因此，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況中熱泵機(jī)組的制冷或供熱效率（COP），分空調(diào)工況對(duì)計(jì)算單位面積換熱功率Dq3進(jìn)行修正，即實(shí)際單位面積換熱功率Dq3可表示如下：

其中，不同空調(diào)工況下的修正系數(shù)可由下式進(jìn)行計(jì)算：

1）制冷工況修正系數(shù)φ1

2）供熱工況修正系數(shù)φ2

式中：COP1為設(shè)計(jì)工況下熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)；COP2為設(shè)計(jì)工況下熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)。

3 可供單位面積換熱功率

根據(jù)上海市不同區(qū)域的單孔換熱功率，按單位面積可布孔數(shù)、土地利用系數(shù)、可開發(fā)利用面積，計(jì)算出區(qū)域內(nèi)可供單位面積換熱功率。其表達(dá)式如下：

式中：Dq1為可供單位面積換熱功率，W/m2；Dq為計(jì)算區(qū)域換熱功率，k W；D為單孔換熱功率，k W；M為計(jì)算區(qū)域面積，k m2；n為單位面積可鉆換熱孔數(shù)；ψ為地埋管土地利用率。

根據(jù)單位面積可布孔數(shù)、土地利用系數(shù)、可開發(fā)利用面積，計(jì)算冬、夏季工況各行政區(qū)的區(qū)域換熱功率，冬季的計(jì)算結(jié)果如表3，各區(qū)域換熱功率分布見圖1。

表3 上海市各行政區(qū)冬季供熱區(qū)域換熱功率一覽表

圖l 上海市豎直地埋管地源熱泵換熱功率分布圖

4 適宜性分區(qū)

為保證空調(diào)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，因此，在進(jìn)行地埋管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，通常會(huì)考慮10%的富裕量，即1.1 Dq2。對(duì)不同區(qū)域內(nèi)、不同容積率、不同類型建筑的實(shí)際單位面積換熱功率與可供單位面積換熱功率進(jìn)行對(duì)比，可分為如下四種情況：

綜上所述，對(duì)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)可作出如下劃分（表4）。

表4 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)

5 結(jié)論

通過上述分析，可得出以下結(jié)論：

1）區(qū)域埋管換熱功率的大小受地區(qū)水文地質(zhì)條件、地層屬性、地溫場特征、巖土體熱物參數(shù)、覆蓋層厚度等因素的影響；

2）通過計(jì)算比較所得的埋管區(qū)域單位面積的換熱功率，可作為地區(qū)地源熱泵適宜區(qū)劃分的依據(jù)；

3）通過實(shí)際單位面積換熱功率與可供單位面積換熱功率進(jìn)行對(duì)比，可將上海地區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用劃分為四個(gè)適宜性區(qū)域，即適宜區(qū)、較適宜區(qū)、準(zhǔn)適宜區(qū)及不適宜區(qū)。

[1]刁乃仁,方肇洪.地埋管地源熱泵技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2006

[2]徐偉.地源熱泵工程技術(shù)指南[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001

[3]蔣能照,劉道平.水源地源水環(huán)熱泵空調(diào)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007

[4]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008

[5]陸耀慶.暖通空調(diào)設(shè)計(jì)指南[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001