土壤源熱泵在某工程的應用方案及經(jīng)濟比選

試驗研究

土壤源熱泵在某工程的應用方案及經(jīng)濟比選

□□ 曹家豪(山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，山西 太原030001)

摘要：結合工程實例，介紹了土壤源熱泵各個設備的選擇及計算。通過技術經(jīng)濟比較，說明了地源熱泵在中小型工程應用的可行性。

關鍵詞：土壤源熱泵；空調(diào)系統(tǒng)；設備選型；節(jié)能減排

文章編號：1009-9441(2015)03-0041-03

中圖分類號：TK 529；TU 83

文獻標識碼：B

作者簡介：曹家豪(1985-)，男，山西新絳人，助理工程師，2008年7月畢業(yè)于山西大學建筑環(huán)境與設備工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事暖通設計工作。

收稿日期：2015-06-03

引言

地源熱泵系統(tǒng)是以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，以熱泵機組、地熱交換系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的空調(diào)系統(tǒng)。根據(jù)地熱能交換系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，地源熱泵技術已日趨成熟。

山西南部某地級市醫(yī)院住院大樓工程，總建筑面積為16 335 m2，建筑層數(shù)為10層，總冷負荷為1 860 kW，室內(nèi)采用風機盤管加新風機組的空調(diào)方式。地埋管可利用建設場地主要是地上車位及綠地等區(qū)域，面積約為8 700 m2。

根據(jù)該工程的現(xiàn)場實際情況，沒有充足的地下水和地表水可以利用，所以擬在建設范圍停車場及綠地采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)夏季制冷、冬季供暖、全年供生活熱水的“一機三聯(lián)供”。供熱時，省去了燃煤、燃氣、燃油等鍋爐房系統(tǒng)，沒有燃燒過程，避免了排煙污染；供冷時，省去了制冷機組及冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪聲、漂水及霉菌污染，同時不產(chǎn)生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵。該技術運行費用低廉，比燃氣、燃油費用低2倍，也低于目前城市供熱、制冷的價格。

1設計思路、設計依據(jù)及設計范圍

1.1　總的設計思路

以綠色環(huán)保、節(jié)能減排、創(chuàng)造社會效益為主導設計思想，按國家相關規(guī)范為設計依據(jù)，對工程進行設計。系統(tǒng)設計充分利用可再生能源，降低用戶的運行費用，保護環(huán)境。

1.2　設計依據(jù)

地源熱泵系統(tǒng)的設計依據(jù)包括：GB 50366—2005(2009年版)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》；GB 50019—2003《采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》；GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》；GB 50015—2003(2009版)《建筑給水排水設計規(guī)范》；GB 50242—2002《建筑給水排水及采暖工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》；GB 50243—2002《通風與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》；2009JSCS《全國民用建筑工程設計技術措施：暖通動力(2009年版)》；DBJ04—241—2013《公共建筑節(jié)能設計標準》；建設方提供的相關資料。

1.3　設計范圍

系統(tǒng)設計包括以下部分：①土壤源熱泵機組；②土壤源換熱器。

2設備選型

2.1　主機的確定

土壤源熱泵主機2臺，其技術參數(shù)見表1。

表1　土壤源熱泵主要技術參數(shù)

2.2　土壤源換熱器的選型計算

地源熱泵系統(tǒng)是利用地下土壤常年溫度相對穩(wěn)定的特性，通過埋入建筑物周圍的地耦管與建筑物內(nèi)部完成熱交換的裝置。冬季通過地源熱泵將大地中的低位熱能提高品味對建筑物供暖，同時把建筑物內(nèi)的冷量儲存至地下，以備夏季制冷使用；夏季通過地源熱泵將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下對建筑物進行降溫，同時儲存熱量，以備冬季制冷時使用。

因尚未做項目建設地的熱物性測試，所以參考相關數(shù)據(jù)將地埋孔深度暫按120 m計算，夏季按60 W/延米計算，換熱系統(tǒng)主管采用大管徑設計，以減小系統(tǒng)阻力，垂直埋管管徑為DN32，既保障管徑足夠大，大到可以滿足換熱系統(tǒng)水的流量；也保障管徑足夠小，小到循環(huán)水在垂直埋管處于紊流狀態(tài)，增加換熱效率。

換熱器的長度計算：夏季EER為5；夏季需從地下提取的冷量為：1 860×6/5=2 232(kW)；夏季地埋管換熱器長度為：2 232 000/60=37 200(m)；地埋管換熱器井數(shù)：37 200/120=310(眼)，間距按4 m計，預計占地面積4 960 m2。空場地面積完全可以滿足地埋管的占地要求。

考慮到夏季冷負荷較大，該工程地埋管數(shù)按夏季地埋管數(shù)設計。

2.3　空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)水泵的選型

夏季熱泵主機的進出口溫度為12~7 ℃，由換熱量得冷凍循環(huán)水流量為：

qm=Q/cΔt=1860×1000/(4.2×1000×5)=88.57(kg/s)=318.85(t/h)

故選用KQL125/170-22/2循環(huán)水泵3臺，兩用一備，水泵流量為166 m3/h，揚程為34.5 m，功率為22 kW。

2.4　地埋管系統(tǒng)循環(huán)水泵的選型

夏季地埋管的供水溫度為20 ℃，回水溫度為25 ℃。由夏季換熱量得地埋管系統(tǒng)循環(huán)水的流量為：

qm=Q/cΔt=2232×1000/(4.2×1000×5)=106.29(kg/s)=382.63(t/h)

故選用KQL125/200-37/2循環(huán)水泵3臺，兩用一備，水泵流量為192 m3/h，揚程為46 m，功率為37 kW。

3機房設備及價格

經(jīng)過詳細踏勘，在利用原有庫房的基礎上，初步確定熱泵機組占地面積約為250 m2。機房設備及詢價見表2。

表2　機房設備詢價表 1)

初投資估算費用包括：機房內(nèi)所有設備的購置及安裝；機房內(nèi)配電、控制柜的制作與安裝。

初投資估算費用不包括：機房土建施工費；由變電站至機房配電柜的主電源引入費用。

4工程投資及運行費用估算

4.1　工程總投資估算

工程總投資估算見表3。

根據(jù)山西省人民政府辦公廳《關于加快既有建筑節(jié)能改造工作的意見》(晉政辦發(fā)[2008]10號)，

表3　工程總投資估算

該項目可獲得政府補貼81.67萬元，實際工程總投資為302.92萬元。

4.2　地源熱泵運行費用估算

冬季地源熱泵總功率為529.85 kW，夏季地源熱泵總功率為420.25 kW，運行人員為1人。

4.2.1冬季運行費用

平均每天耗電量約為：529.85×8×0.5×0.5=1 059.7(kW·h)；

每日電費約為：1.3×1 059.7=1 377.61(元/d)；

人員費用約為：40×1=40(元/d)；

維修費用約為：10元/d；

費用合計：1 427.61元/d，即2.6元/(m2·d)。

4.2.2夏季運行費用

平均每天的耗電量約為：420.25×8×0.5=1 681(kW·h)；

每日電費約為：1.3×1 681=2 185.3(元/d)；

人員費用約為：40×1=40(元/d)；

維修費用約為：10元/d；

費用合計：2 235.3元/d，即4.1元/(m2·d)。

4.3　回收期估算

總投資為302.92萬元，采暖期為5個月，供冷期為4個月，冬季公共建筑收費為28元/m2，夏季公共建筑收費為33.6元/m2。冬季收益為：28-2.6×5=15(元/m2)，夏季收益為：33.6-4.1×4=17.2(元/m2)。年收益為：(15+17.2)×16 335=525 987(元)，回收期為5.8年。

5地源熱泵與常規(guī)冷熱源方案比較

地源熱泵與常規(guī)冷熱源方案比較見表4。

表4　地源熱泵與常規(guī)冷熱源方案比較

6環(huán)境效益分析

采用地源熱泵技術的節(jié)能減排量見表5。

表5　采用地源熱泵技術的節(jié)能減排量　t

7結語

該項目是一項利國利民的環(huán)保工程，項目的實施不僅可以改善醫(yī)院的環(huán)境，避免了鍋爐排煙對病人及周邊居民身體的損害，同時也為醫(yī)院的建設帶來了新思路、新方法。該項目具有明顯的社會效益、環(huán)保效益和經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1] GB 50366—2005(2009版)，地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范[S].第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[2] 馬最良，呂悅.地源熱泵系統(tǒng)設計與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

(編輯盛晉生)

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