江陰某別墅地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與總結(jié)

戴銀寶

( 華東建筑設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)與總結(jié)

戴銀寶

( 華東建筑設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)為例,淺析地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在暖通設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,以求能為類似項(xiàng)目提供相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)及依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]地源熱泵；淺層地?zé)崮苜Y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(yīng)用是建筑節(jié)能工作的重要組成部分,淺層地?zé)崮苁强稍偕茉吹闹匾愋停柚鸁岜眉夹g(shù)將淺層地?zé)崮軕?yīng)用在建筑節(jié)能領(lǐng)域已受到政府和全社會(huì)的高度重視。但由于地源熱泵系統(tǒng)的特殊性，其設(shè)計(jì)方法是業(yè)內(nèi)人士普遍關(guān)注的問題。本文以實(shí)際工程為例，介紹某別墅地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jiǎn)要的分析。

1工程概況及室內(nèi)外設(shè)計(jì)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(hào)樓為高層住宅，6～27號(hào)樓為聯(lián)排別墅，28號(hào)樓為商業(yè)會(huì)所，地下一層及二層主要用途為汽車庫、設(shè)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(duì)6#別墅設(shè)計(jì)過程詳細(xì)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(shè)計(jì)參數(shù)見表1、表2。

表1室外空氣計(jì)算參數(shù)

季節(jié)空調(diào)干球溫度(℃)濕球溫度或相對(duì)濕度(℃)或(%)通風(fēng)計(jì)算溫度(℃)極端溫度(℃)平均風(fēng)速(m/s)大氣壓力(hPa)供暖計(jì)算溫度(℃)主導(dǎo)風(fēng)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(shè)計(jì)參數(shù)

區(qū)域名稱夏季溫度(℃)RH(%)冬季溫度(℃)RH(%)新風(fēng)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(fù)荷計(jì)算

利用可再生地?zé)崮茏鳛榭照{(diào)冷熱源的熱泵系統(tǒng)，被稱為是21世紀(jì)的一項(xiàng)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(shù)。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(shí)提供生活熱水供應(yīng)，空調(diào)負(fù)荷計(jì)算數(shù)值見表3。

表3空調(diào)負(fù)荷計(jì)算表

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

2.2空調(diào)冷熱源系統(tǒng)

每戶單獨(dú)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(jī)組設(shè)置在地下室機(jī)房?jī)?nèi)(內(nèi)置埋管側(cè)水泵、空調(diào)側(cè)水泵和生活熱水泵)，制冷時(shí)熱泵機(jī)組將熱量釋放到地埋管中，空調(diào)側(cè)進(jìn)出水溫度為7℃/12℃，地源側(cè)供回水溫度為30℃/35℃；制熱時(shí)熱泵機(jī)組從地埋管中吸取熱量，空調(diào)側(cè)進(jìn)出水溫度為45℃/40℃，地源側(cè)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。空調(diào)系統(tǒng)原理圖見圖1。

圖1　空調(diào)系統(tǒng)原理圖

2.3設(shè)備選型

根據(jù)本項(xiàng)目的特點(diǎn)，選用1臺(tái)熱回收型地源熱泵冷溫水機(jī)組，性能參數(shù)如表4。

2.4地源熱泵土壤換熱器計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土壤熱響應(yīng)測(cè)試報(bào)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(chǎng)實(shí)際情況綜合考慮最終確定設(shè)計(jì)為雙U井，則雙U井夏季(冬季)土壤換熱量為：60W/m(40W/m)。本項(xiàng)目為每家自成一個(gè)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(dāng)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(jì)算值進(jìn)行適當(dāng)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(dāng)于換熱器，空調(diào)系統(tǒng)從土壤中取冷、取熱。

表4設(shè)備性能參數(shù)表

編號(hào)名稱型號(hào)與規(guī)格單位數(shù)量備注1地源熱泵機(jī)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(shí):冷凍水進(jìn)出口溫度:12℃/7℃;冷凝器進(jìn)出口溫度:30℃/35℃供熱時(shí):熱水進(jìn)出口溫度:40℃/45℃;蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度:10℃/5℃臺(tái)1內(nèi)部切換2地源側(cè)循環(huán)泵L=8.5m3/h;H=28m;N=2.2kW臺(tái)23空調(diào)側(cè)循環(huán)泵L=7.0m3/h;H=25m;N=2.2kW臺(tái)1機(jī)組自帶4熱水循環(huán)泵L=7.15m3/h;H=6～8m;N=0.55kW臺(tái)1機(jī)組自帶5電子水處理儀DN70臺(tái)1地源側(cè)6電子水處理儀DN70臺(tái)1空調(diào)側(cè)7定壓罐19L只1地源側(cè)8定壓罐13L只1空調(diào)側(cè)9水箱350L個(gè)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(shè)計(jì)冷負(fù)荷，或由地埋管熱泵系統(tǒng)承擔(dān)的冷負(fù)荷，36.8 kW；

Qh—建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，或由地埋管熱泵系統(tǒng)承擔(dān)的熱負(fù)荷，30.6 kW；

COPc—水源熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)，取3.55；

COPh—水源熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)，取3.35；

根據(jù)上式計(jì)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(jì)算：

(3)

式中:

N—地埋管換熱器(或換熱井)數(shù)量，個(gè)；

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(shí)測(cè)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(jì)算：

(4)

式中:

N—地埋管換熱器(或換熱井)數(shù)量，個(gè)；

Qk—地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)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(jì)算結(jié)果見表5：

表5地埋管換熱器(或換熱井)數(shù)量計(jì)算

樓號(hào)季節(jié)井深(m)設(shè)計(jì)計(jì)算井?dāng)?shù)(口)最終確定井?dāng)?shù)(口)6#夏季4015冬季402124

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地情況，鉆孔內(nèi)設(shè)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(gè)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(jì)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(jī)組每天運(yùn)行10個(gè)小時(shí)，考慮制冷季總冷負(fù)荷系數(shù)取0.7，制熱季總熱負(fù)荷系數(shù)取0.75。

整個(gè)制冷期向土壤排放的總熱量：

?1=31.1×0.7×10×120=26124(kWh)

整個(gè)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(shí)，不同時(shí)間、不同季節(jié)合理開啟不同的換熱器也可達(dá)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(shè)計(jì)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(kuò)建的賓館、酒店、商住樓等有熱水需求的公共建筑，應(yīng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)和安裝太陽能熱水系統(tǒng)。符合上述應(yīng)用范圍的市區(qū)項(xiàng)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(xiàng)目在規(guī)定范圍之內(nèi)，所以需要對(duì)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(yīng)的比較，本處僅對(duì)運(yùn)行能耗方面作簡(jiǎn)要分析。

對(duì)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(jì)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)的要求，根據(jù)項(xiàng)目的冷熱負(fù)荷，擬選用一臺(tái)16HP的多聯(lián)機(jī)，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(jì)多聯(lián)機(jī)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(jì)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(jī)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(jié)語

(1)在華東地區(qū)，建筑物夏季空調(diào)冷負(fù)荷大于冬季熱負(fù)荷，地源熱泵埋管區(qū)域存在熱積累，出現(xiàn)嚴(yán)重的冷熱量失衡，導(dǎo)致土壤溫度逐年升高，影響系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)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(zhǎng)期高效運(yùn)行的技術(shù)關(guān)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(shí)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(yùn)行節(jié)能效果。

5參考文獻(xiàn)

[1] 南京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司.DGJ32/TJ89-2009 地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程[S].南京：鳳凰出版?zhèn)髅郊瘓F(tuán)江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2010

[2] 江蘇省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司.DGJ32/J96-2010 公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].南京：鳳凰出版?zhèn)髅郊瘓F(tuán)江蘇科學(xué)技術(shù)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(jiǎn)介：戴銀寶(1987-)，男，工程師，主要從事暖通設(shè)計(jì)。Email：1064409928@qq.com

文章編號(hào)：ISSN1005-9180(2016)01-053-06

中圖分類號(hào)：TU831文獻(xiàn)標(biāo)示碼：B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.04.010