重慶某辦公樓地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇立群 盧 軍

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重慶某辦公樓地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇立群 盧 軍

（重慶大學(xué) 重慶 400045）

介紹了重慶某辦公樓地源熱泵+溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的空調(diào)方案選擇，并對(duì)地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，討論分析了地埋管換熱器的設(shè)計(jì)及地源熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)工況和系統(tǒng)運(yùn)行控制方案，并對(duì)采用地源熱泵系統(tǒng)的全年運(yùn)行能效和效益進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析。

地埋管地源熱泵系統(tǒng)；地埋管換熱器；機(jī)組設(shè)計(jì)工況；系統(tǒng)能效；效益

0 引言

重慶市自從直轄以來(lái)，由于各種政策原因，國(guó)內(nèi)的中小企業(yè)紛紛入駐，能源消耗的強(qiáng)度越來(lái)越大。而在目前的能源消耗中，建筑能耗又占有很大的比例，根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，隨著人民生活質(zhì)量的改善，建筑能耗所占的比例還將上升，最終達(dá)到35%～40%[1]。暖通空調(diào)耗能是建筑能耗的大戶，其能耗比例已超過(guò)建筑能耗的50%（圖1）。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道：重慶市建筑總能耗中的53.99%又是來(lái)自暖通空調(diào)能耗。所以通過(guò)以上的資料我們可以看出，如果想在很大程度上緩解能源供應(yīng)壓力，在建筑物中大力利用淺層地溫能資源是有效的方法。

土壤源熱泵空調(diào)冷熱源系統(tǒng)作為淺層地?zé)豳Y源在建筑中應(yīng)用的最直接方法，近年來(lái)得到了大力的發(fā)展和推廣。2005年以來(lái)，天津大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)、重慶大學(xué)都對(duì)地源熱泵進(jìn)行了細(xì)致的研究，例如地埋管地源熱泵在長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下，土壤溫度變化規(guī)律以及對(duì)換熱的影響；U型管的優(yōu)劣以及波紋管的增強(qiáng)對(duì)換熱性能的影響等等[2-4]。現(xiàn)階段我國(guó)地源熱泵服務(wù)面積超過(guò)1億平方米[5]，全國(guó)各地地源熱泵都在快速發(fā)展。

圖1 我國(guó)建筑能耗分析圖

本文以重慶市實(shí)際項(xiàng)目為例，分析了重慶市某辦公樓建筑的地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目背景

重慶市地下巖土的溫度全年平均在18℃～20℃左右，巖石結(jié)構(gòu)好，密度大、導(dǎo)熱系數(shù)高，地下埋管換熱性能比北京、上海約高15%～20%。目前，重慶市已有多個(gè)地源熱泵項(xiàng)目，從運(yùn)行狀況來(lái)看，這些項(xiàng)目都取得了不錯(cuò)的效果。同時(shí)，為了應(yīng)對(duì)能源所面臨的嚴(yán)峻形勢(shì)，推進(jìn)可再生能源在建筑中的發(fā)展應(yīng)用工作的開(kāi)展，重慶市頒布了《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》、《重慶市建筑節(jié)能“十一五”發(fā)展規(guī)劃綱要》等一系列的文件，根據(jù)這些文件精神，結(jié)合重慶市當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，經(jīng)過(guò)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析，本項(xiàng)目空調(diào)的冷熱源方案將采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

1.2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本工程位于兩江商務(wù)中心區(qū)，建筑限高24m，總建筑面積36371.8m2，共地上5層，地下2層。地上均為辦公室及配套，地下為設(shè)備用房及車庫(kù)。詳細(xì)樓層分布概況如表1所示。

表1 樓層分布概況一覽表

2 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 空調(diào)負(fù)荷分析

表2 全年逐時(shí)動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果匯總

為保證空調(diào)系統(tǒng)的良好設(shè)計(jì)，本文采用DeST負(fù)荷模擬運(yùn)算軟件對(duì)其進(jìn)行該建筑全年8760小時(shí)的空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行逐時(shí)計(jì)算。計(jì)算中所有參數(shù)設(shè)置均來(lái)自《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50736-2012、《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2005以及《重慶市公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ50-052-2006等國(guó)家或地方現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算結(jié)果如表2和圖2所示。

圖2 冬夏空調(diào)季節(jié)逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷分布圖

2.2 空調(diào)技術(shù)方案選擇

本項(xiàng)目所采用的空調(diào)技術(shù)方案為地源熱泵系統(tǒng)加溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)。其實(shí)現(xiàn)形式為土壤源熱泵系統(tǒng)加溶液調(diào)濕新風(fēng)系統(tǒng)。

2.2.1 土壤源熱泵系統(tǒng)原理

土壤源熱泵系統(tǒng)，就是利用地下淺層土壤能量，通過(guò)地下埋管內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)與土壤進(jìn)行閉式熱交換達(dá)到供冷供熱目的。夏季通過(guò)熱泵將建筑內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到土壤下，對(duì)建筑進(jìn)行降溫；冬季通過(guò)熱泵將大地中的低位熱能提高品位對(duì)建筑供暖。因?yàn)橥寥谰哂幸荒晁募緶囟确€(wěn)定的特點(diǎn)，通常土壤源熱泵消耗1kW的熱量，用戶可以得到4kW左右的熱量或冷量，從而達(dá)到節(jié)能的目的，而且在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，不產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保的功效。土壤源熱泵的工作原理如圖3所示。

圖3 土壤源熱泵原理圖

2.2.2 溶液調(diào)濕新風(fēng)系統(tǒng)原理

圖4 溶液除濕機(jī)夏季運(yùn)行工況

圖5 溶液除濕機(jī)冬季運(yùn)行工況

如圖4、5所示：夏季運(yùn)行時(shí)，室外新風(fēng)先經(jīng)過(guò)全熱回收單元，與室內(nèi)的排風(fēng)進(jìn)行能量交換，全熱交換效率在50%以上，然后再經(jīng)除濕單元/加濕單元對(duì)新風(fēng)除濕/加濕，以達(dá)到設(shè)計(jì)的送風(fēng)要求。這種新風(fēng)機(jī)相對(duì)于常規(guī)新風(fēng)機(jī)而言，具有明顯的節(jié)能效果。新風(fēng)的潛熱負(fù)荷由溶液系統(tǒng)承擔(dān)，夏季不再需要7℃的冷凍水來(lái)滿足新風(fēng)除濕要求，空調(diào)系統(tǒng)中不存在冷凝水的表面，也消除了室內(nèi)一大污染源。

3 地源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 地下?lián)Q熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心就是地下?lián)Q熱器，而地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)又受到巖土的溫度、濕度、地下水文地質(zhì)狀況的影響。所以為充分保證地埋管地源熱泵系統(tǒng)的實(shí)施有科學(xué)合理的依據(jù)，筆者在項(xiàng)目所在地進(jìn)行了工程地質(zhì)勘查并做了熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

據(jù)鉆孔揭示，勘察區(qū)地層結(jié)構(gòu)主要為：0～5.80m為素填土，5.80～101.80m為砂巖、泥巖互層。區(qū)內(nèi)無(wú)斷層，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，屬于硬性結(jié)構(gòu)面。場(chǎng)區(qū)地下水較貧乏，水量小，排泄條件較好，無(wú)穩(wěn)定地下水位。對(duì)場(chǎng)區(qū)巖樣物性進(jìn)行檢測(cè)，其平均熱導(dǎo)率為2.2504（W/m·K），導(dǎo)熱性能較好，適宜采用地埋管熱泵系統(tǒng)。為了節(jié)約場(chǎng)地面積，本項(xiàng)目采用豎直埋管形式。在熱響應(yīng)試驗(yàn)中，筆者測(cè)得單位延米換熱量為48.87W/m。

根據(jù)上述地質(zhì)勘察情況，本工程采用單孔雙U形豎直埋管地埋管換熱系統(tǒng)。鑒于需地下?lián)Q熱量較大，且受到埋管面積限制，在考慮埋管之間相互影響的情況下，埋管深度設(shè)計(jì)為100m，埋管間距為5m埋設(shè)DN32的聚乙烯PE管。同時(shí)為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，本工程決定并聯(lián)同程式連管方式，并輔助設(shè)計(jì)冷卻塔以進(jìn)行夏季負(fù)荷調(diào)峰，以降低地埋管費(fèi)用和平衡冬夏提取和排入地下的熱量。利用負(fù)荷計(jì)算軟件計(jì)算得出的該工程負(fù)荷如表2所示，但考慮到本工程采用了溶液調(diào)濕新風(fēng)系統(tǒng)，其新風(fēng)冷熱負(fù)荷可不進(jìn)入土壤，所以要對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。經(jīng)筆者計(jì)算發(fā)現(xiàn)：本工程新風(fēng)熱負(fù)荷進(jìn)入土壤而新風(fēng)冷負(fù)荷不進(jìn)入土壤，土壤的熱平衡達(dá)到自然最佳。所以修正值為冬季系統(tǒng)熱負(fù)荷1695kW（含新風(fēng)），夏季系統(tǒng)冷負(fù)荷2506.8kW（不含新風(fēng)）。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)夏季系統(tǒng)冷負(fù)荷計(jì)算所需地埋管長(zhǎng)度。

夏季釋熱量=空調(diào)冷負(fù)荷×（1+1/COP）=2506.8×（1+1/7.2）=2855kW。

經(jīng)筆者計(jì)算，冬季供暖季單位鉆孔長(zhǎng)度換熱量為48.4W/m，夏季空調(diào)季平均單位鉆孔長(zhǎng)度換熱量為67.9W/m，且因冬季供暖時(shí)會(huì)吸收土壤熱量，與冷凝散熱量存在抵消，所以最終確定本工程采用360個(gè)孔的地埋管，地埋管換熱系統(tǒng)的配置如表3。夏季地埋管的總換熱能力為2444.4kW，基本能承擔(dān)冷能排熱量2855kW，滿足換熱需求。

表3 地埋管換熱器系統(tǒng)配置表

3.2 地源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)備選型及機(jī)組性能系數(shù)

本工程選擇的主要設(shè)備選型如表4所示。

表4 地埋管熱泵系統(tǒng)的主要設(shè)備表

3.3 地源熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)工況及運(yùn)行控制方案

夏季工況：使用側(cè)冷凍水的供回水溫度分布為13℃和18℃（提供高溫冷水），地源側(cè)冷卻水的供回水溫度分別為26℃和31℃。

冬季工況：使用側(cè)冷凍水的供回水溫度分別為45/35℃，地源側(cè)冷卻水供回水溫度分別為19℃和 25℃。不采用電熱鍋爐、電熱水器作為直接采暖和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的熱源。

運(yùn)行控制：冬季僅開(kāi)啟地源熱泵機(jī)組進(jìn)行供暖，承擔(dān)系統(tǒng)熱負(fù)荷；夏季優(yōu)先開(kāi)啟地源熱泵機(jī)組進(jìn)行制冷，承擔(dān)系統(tǒng)基本符合，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷超出熱泵機(jī)組負(fù)荷承擔(dān)范圍，同時(shí)開(kāi)啟地源熱泵機(jī)組與冷水機(jī)組承擔(dān)系統(tǒng)峰值負(fù)荷。夏季輔助冷卻開(kāi)啟的控制策略采用溫差控制，即以熱泵進(jìn)口（或出口）水溫與室外濕球溫度差值來(lái)控制。通過(guò)前人的研究可知，在這種控制策略下，系統(tǒng)的能耗、機(jī)組的運(yùn)行特性和經(jīng)濟(jì)性都具有較大的優(yōu)越性。

4 系統(tǒng)能效和效益分析

4.1 系統(tǒng)能效分析

根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目測(cè)評(píng)導(dǎo)則》（后稱《導(dǎo)則》）中對(duì)系統(tǒng)能效比的測(cè)試方法，負(fù)荷計(jì)算情況和機(jī)組技術(shù)參數(shù)，對(duì)該地源熱泵系統(tǒng)的夏季和冬季兩個(gè)典型季節(jié)的系統(tǒng)能效比進(jìn)行估算?！秾?dǎo)則》規(guī)定，典型季節(jié)系統(tǒng)能效比是指地源熱泵系統(tǒng)的制冷/制熱量與系統(tǒng)輸入功率之比，這里的系統(tǒng)輸入功率主要是指熱泵機(jī)組以及與熱泵機(jī)組相關(guān)的所有設(shè)備的輸入功率之和（不包括用戶末端設(shè)備）。故對(duì)于本工程系統(tǒng)能效的計(jì)算范圍是熱泵主機(jī)以及冷卻水泵（地埋管系統(tǒng)水泵、冷卻塔水泵、冷卻塔、冷凍水泵）等設(shè)備。

系統(tǒng)能效比為：

式中：COP為熱泵系統(tǒng)制冷能效比；COP為熱泵系統(tǒng)制熱能效比；Q為系統(tǒng)制冷量，kWh；Q為系統(tǒng)制熱量，kWh；N為熱泵機(jī)組所消耗的電量，kWh；N為水泵所消耗的電量，kWh。

根據(jù)《導(dǎo)則》中規(guī)定的能效測(cè)試工況，熱泵機(jī)組制熱制冷性能系數(shù)的測(cè)定工況應(yīng)盡量接近機(jī)組的額定工況，機(jī)組的負(fù)荷達(dá)到額定值的 80%以上；系統(tǒng)能效比的測(cè)定工況盡量接近系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況。這里能效比的計(jì)算在機(jī)組設(shè)計(jì)工況下，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行。該建筑冬季空調(diào)單臺(tái)熱泵機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，基本可以滿足全樓的負(fù)荷需求。

故熱泵系統(tǒng)的制冷能效比：COP=3.4；熱泵系統(tǒng)的制熱能效比：COP=3。

4.2 系統(tǒng)效益分析

根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目測(cè)評(píng)導(dǎo)則》中對(duì)系統(tǒng)節(jié)能量的計(jì)算方法，地源熱泵系統(tǒng)年耗電量利用系統(tǒng)能效比和建筑全年累計(jì)空調(diào)熱負(fù)荷和全年累計(jì)空調(diào)冷負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。其中進(jìn)行對(duì)比的常規(guī)供暖、供冷方式的選取為：制熱，選取燃煤鍋爐房作為比較對(duì)象，鍋爐的效率取68%；空調(diào)工程設(shè)計(jì)能效比取為3.0（參照重慶市《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ50-052-2006）。循環(huán)水泵、風(fēng)機(jī)等用電設(shè)備的耗電量近似的認(rèn)為與地源熱泵系統(tǒng)的用戶側(cè)相同。電能與一次能源的轉(zhuǎn)換率為0.31，1kWh電相當(dāng)于0.1229kgce，標(biāo)煤的熱值為29.27兆焦/kg。

根據(jù)上述空調(diào)負(fù)荷分析，故地源熱泵系統(tǒng)年能耗：

=E+E==64萬(wàn)kWh+66.9萬(wàn)kWh=130.9萬(wàn)kWh，折合標(biāo)準(zhǔn)煤321.5噸。

常規(guī)供暖、供冷方式年能耗：

制熱所需燃料熱值為268.1萬(wàn)kWh，折合標(biāo)準(zhǔn)煤329.7噸；制冷年能耗E==79.96萬(wàn)kWh，折合標(biāo)準(zhǔn)煤317噸。故常規(guī)系統(tǒng)全年制冷、制熱的耗電量為標(biāo)準(zhǔn)煤一共646.7噸。

根據(jù)以上計(jì)算，本工程采用冷卻塔-地埋管地源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)方案，全年空調(diào)制冷、采暖生產(chǎn)消耗的能源折算成標(biāo)準(zhǔn)煤為518.9噸，而傳統(tǒng)的水冷式冷水機(jī)組加燃煤鍋爐供熱的方案全年耗能折算成標(biāo)準(zhǔn)煤為646.7噸。故該復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的實(shí)施每年可節(jié)能127.8噸標(biāo)準(zhǔn)煤，節(jié)能率為24.6%。此外根據(jù)消耗一次能源所產(chǎn)生的溫室氣體和污染氣體的類型，并按照《可再生能源建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目測(cè)評(píng)導(dǎo)則》給定方法可確定CO2、SO2、粉塵減排量。

CO2減排量CO2=2.47Q=315.7噸/年；SO2減排量SO2=0.02Q=2.6噸/年；粉塵減排量Q=0.01Q=1.3噸/年。Q為標(biāo)準(zhǔn)煤節(jié)約量。效益匯總?cè)绫?所示。

表5 地源熱泵系統(tǒng)效益匯總

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)重慶市某辦公樓的地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并將其與傳統(tǒng)的供暖、制冷形式對(duì)比，得出了復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)具有節(jié)能率高，對(duì)環(huán)境污染小等特點(diǎn)。現(xiàn)階段國(guó)家正大力推廣發(fā)展淺層地溫能的開(kāi)發(fā)利用，全面推廣可再生能源建筑的工程形式。而地源熱泵系統(tǒng)正是直接利用淺層地溫能的系統(tǒng)形式。所以使用地源熱泵不但能形成良好的示范作用，為當(dāng)?shù)販\層地溫能的利用樹(shù)立節(jié)能環(huán)保的形象，還能獲得政府的大力支持，取得良好的效益。

[1] 章長(zhǎng)松.上海淺層地?zé)崮芊植家?guī)律及開(kāi)發(fā)應(yīng)研究[D].天津:天津大學(xué),2009.

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A Ground Source Heat Pump System Design in Chongqing

Su Liqun Lu Jun

( Chongqing University, Chongqing, 400045 )

This paper introduces the Ground Source Heat Pump and the temperature and humidity control system of an office building in Chongqing, and ground-source heat pump system is designed in detail. Also, this paper discuss the ground heat exchanger design and analysis the design conditions and system operation control scheme. In addition to this the energy efficiency and benefits from the use of ground source heat pump is predicted and analyzed.

ground source heat pump system; ground heat exchanger; unit design conditions; energy efficiency; benefits

1671-6612（2016）06-668-05

TU83

A

蘇立群（1991.09-），男，在讀碩士研究生，E-mail：416883875@qq.com

盧 軍（1966.10-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：1181367768@qq.com

2015-06-10