武漢某小區(qū)地埋管地源熱泵設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性分析

吳 瑋 華

(中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢　430014)

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武漢某小區(qū)地埋管地源熱泵設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性分析

吳 瑋 華

(中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢430014)

從冷熱源設(shè)計(jì)與地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩方面，介紹了某工程地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)方案，分析了冷熱源的運(yùn)行策略，并與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，為地埋管地源熱泵和常規(guī)空調(diào)形式的系統(tǒng)選擇提供了依據(jù)。

地埋管地源熱泵，空調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性

隨著近十幾年來(lái)我國(guó)新建建筑的迅速增多，建筑能耗在整個(gè)能源消耗中所占比重越來(lái)越大，約占27.5%[1]，而空調(diào)采暖能耗占到整個(gè)建筑能耗的40%～50%。因此合理選擇空調(diào)系統(tǒng)在建筑節(jié)能中顯得尤為重要。地埋管地源熱泵作為一種以節(jié)能和環(huán)保為特征的可再生能源空調(diào)系統(tǒng)，近幾年發(fā)展迅速，在國(guó)內(nèi)許多工程中得以應(yīng)用。但是地埋管地源熱泵在我國(guó)的應(yīng)用仍然處于起始階段，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用仍存在一些問(wèn)題。本文針對(duì)武漢某小區(qū)的地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，為地埋管地源熱泵和常規(guī)空調(diào)形式的系統(tǒng)對(duì)比選擇提供依據(jù)。

1　工程概況

該小區(qū)位于武漢東湖新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，定位為高端住宅，采用地埋管地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)滿足用戶的夏季制冷、冬季采暖及全年的生活熱水需求。地上部分建筑面積為31 112 m2，總戶數(shù)為164戶，入住人數(shù)約600人。

2　方案可行性分析

該項(xiàng)目所在地地質(zhì)結(jié)構(gòu)以不同風(fēng)化程度的灰?guī)r為主，存在少量的破碎帶，采用地埋管地源熱泵成孔速度較快，成孔深度基本可保證100 m，非常適合采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)。在項(xiàng)目綠化地打若干個(gè)一定深度的垂直孔，孔內(nèi)埋設(shè)雙U型換熱管，利用地下土壤作為系統(tǒng)的冷熱源，根據(jù)項(xiàng)目冷熱量負(fù)荷情況設(shè)置輔助冷源。

3　空調(diào)冷熱源設(shè)計(jì)及主要設(shè)備選型

根據(jù)建筑圖紙經(jīng)逐時(shí)逐項(xiàng)負(fù)荷計(jì)算，得出空調(diào)冷負(fù)荷為1 860 kW，空調(diào)熱負(fù)荷為1 396 kW，生活熱水負(fù)荷為184 kW。

系統(tǒng)采用螺桿式冷熱水型地埋管地源熱泵機(jī)組，螺桿式冷熱水型地埋管地源熱泵機(jī)組能制取7 ℃的空調(diào)冷水、45 ℃的采暖熱水和55 ℃的衛(wèi)生熱水，夏季還能免費(fèi)提供生活熱水，不僅能滿足夏季供冷、冬季供暖的需要，還能滿足冬夏季生活熱水的需要。根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果選3臺(tái)地埋管地源熱泵機(jī)組，機(jī)組參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　地埋管地源熱泵機(jī)組主要參數(shù)

地埋管地源熱泵機(jī)組制冷工況：冷凍水進(jìn)出口溫度為12 ℃/7 ℃，源水進(jìn)出口溫度為25 ℃/30 ℃；制熱工況：熱水進(jìn)出口溫度為40 ℃/45 ℃，源水進(jìn)出口溫度為10 ℃/5 ℃。

主機(jī)運(yùn)行模式如下：1)夏季：優(yōu)先開(kāi)啟部分熱回收主機(jī)滿足全部衛(wèi)生熱水需求及部分空調(diào)負(fù)荷需求，負(fù)荷較大時(shí)開(kāi)啟標(biāo)準(zhǔn)型主機(jī)參與制冷，峰值負(fù)荷時(shí)3臺(tái)主機(jī)全開(kāi)；2)過(guò)渡季節(jié)：在不需要空調(diào)時(shí)，開(kāi)啟全熱回收主機(jī)滿足生活熱水需求；3)冬季：開(kāi)啟全熱回收主機(jī)滿足生活熱水需求，根據(jù)負(fù)荷情況，開(kāi)啟部分熱回收主機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)型主機(jī)滿足空調(diào)采暖需求。

4　源側(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在地埋管地源熱泵的運(yùn)行過(guò)程中，埋管方式、管井的水平間距和冬、夏季運(yùn)行時(shí)間的分配對(duì)土壤的溫度場(chǎng)分布和熱量的平衡有著重要的影響。結(jié)合本項(xiàng)目的地質(zhì)情況及用地條件，建議采用雙U管系統(tǒng)。

4.1源側(cè)換熱系統(tǒng)分析

根據(jù)地埋管地源熱泵系統(tǒng)勘察報(bào)告的測(cè)試結(jié)果，考慮地下埋管的進(jìn)出水溫度、回填料、適當(dāng)?shù)牧魉伲紤]到系統(tǒng)安全性取保守值，夏季土壤換熱量取58 W/m，冬季土壤換熱量取45 W/m。

在其他條件相同的情況下，管井水平間距越小，土壤的溫度變化相對(duì)越大；管井水平間距越大，土壤的溫度變化相對(duì)越小，相同條件下其運(yùn)行性能越好，運(yùn)行時(shí)間的調(diào)節(jié)范圍也相對(duì)越大。針對(duì)本項(xiàng)目埋管區(qū)域較大和主要集中在地下室的特征，地埋管埋管間距取4 m～4.5 m，以保證地埋管系統(tǒng)換熱性能。

地埋管地源熱泵系統(tǒng)的排熱和吸熱的平衡是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素。因此，科學(xué)的運(yùn)行管理措施是確保土壤有效提供熱源和冷源的重要因素。

4.2源側(cè)換熱系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算及埋管計(jì)算

換熱器設(shè)計(jì)必須保證運(yùn)行期內(nèi)，源側(cè)水溫在設(shè)計(jì)工況上下限內(nèi)，同時(shí)確保地埋管地源熱泵機(jī)組運(yùn)行效果不下降。設(shè)計(jì)的依據(jù)為整個(gè)空調(diào)最大的散熱量和最大的吸熱量。

系統(tǒng)最大散熱量與建筑設(shè)計(jì)冷負(fù)荷相對(duì)應(yīng)。包括各空調(diào)分區(qū)地源機(jī)組釋放到循環(huán)水中的熱量(空調(diào)負(fù)荷和機(jī)組壓縮機(jī)耗功)、循環(huán)水在輸送過(guò)程中得到的熱量、水泵釋放到循環(huán)水中的熱量。上述三項(xiàng)熱量相加就可得到供冷工況下地埋管地源熱泵系統(tǒng)總散熱量。系統(tǒng)最大吸熱量與建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷相對(duì)應(yīng)。包括各空調(diào)分區(qū)地源機(jī)組從循環(huán)水中的吸熱量(空調(diào)熱負(fù)荷，扣除機(jī)組壓縮機(jī)耗功)、循環(huán)水在輸送過(guò)程損失的熱量并扣除水泵釋放到循環(huán)水中的熱量[2]。

根據(jù)所選主機(jī)的性能參數(shù)，機(jī)組的平均COP值取6.00，機(jī)組的平均EER值取3.77。計(jì)算得出系統(tǒng)夏季最大散熱量為2 134 kW，冬季最大吸熱量1 256 kW。

考慮到源側(cè)熱平衡的問(wèn)題，按照地埋側(cè)的設(shè)計(jì)負(fù)荷分別計(jì)算冬季和夏季工況的埋管長(zhǎng)度，然后取最大值。計(jì)算得出夏季制冷所需豎井總深度大于制熱時(shí)需豎井總深度，考慮到系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和土壤熱平衡，埋管總深度按冬季的吸熱量計(jì)算，并考慮一定余量，夏季埋管量不足部分考慮采用1臺(tái)150 t/h 冷卻塔對(duì)應(yīng)一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)型主機(jī)運(yùn)行。

根據(jù)本項(xiàng)目大致地質(zhì)情況可得，本項(xiàng)目初步選取單井有效深度為100 m，則所需的豎井?dāng)?shù)目為279個(gè)。

由于整個(gè)場(chǎng)地地質(zhì)情況可能出現(xiàn)變化，為保證地埋管系統(tǒng)的可靠性，一般設(shè)計(jì)時(shí)，鉆孔總量需要考慮3%～5%的余量，設(shè)計(jì)鉆孔數(shù)量為288口。

5　經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)業(yè)主的要求，對(duì)本項(xiàng)目利用地埋管地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

5.1初投資比較

本項(xiàng)目中地埋管地源熱泵系統(tǒng)與其他空調(diào)系統(tǒng)形式初投資比較見(jiàn)表2。

表2　地埋管地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)初投資對(duì)照表

5.2運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算

由于輸送及空調(diào)末端耗電量基本相同，本文僅比較冷熱源耗電量。

供冷工況時(shí)，部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間與部分負(fù)荷運(yùn)行的機(jī)組效率按GB 50189—2015公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)估算。部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間分別為100%負(fù)荷占總運(yùn)行時(shí)間1.2%；75%負(fù)荷占總運(yùn)行時(shí)間32.8%；50%負(fù)荷占總運(yùn)行時(shí)間39.7%；25%負(fù)荷占總運(yùn)行時(shí)間26.3%[1]。供熱工況時(shí)，部分負(fù)荷時(shí)間目前國(guó)內(nèi)無(wú)相關(guān)數(shù)據(jù)，暫按夏季制冷IPLV的系數(shù)取值。制冷季按照120 d，制熱季按照90 d，過(guò)渡季按照155 d計(jì)算，每天運(yùn)行12 h。

考慮相同的開(kāi)啟時(shí)間，電價(jià)按商業(yè)電價(jià)0.945元/kWh，天然氣按3.675元/m3計(jì)算，不同空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用比較見(jiàn)表3。

由于不同季節(jié)自來(lái)水的進(jìn)水溫度不同，熱水負(fù)荷也隨著季節(jié)變化，夏季自來(lái)水溫度取25 ℃，冬季取5 ℃，過(guò)渡季取15 ℃[3]。熱水使用率按50%考慮，不同系統(tǒng)年熱水運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)表4。

地埋管地源熱泵雖然初投資比冷水機(jī)組+鍋爐系統(tǒng)要高，但是運(yùn)行費(fèi)用要低，結(jié)合冬夏季空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用及熱水運(yùn)行費(fèi)用，可以對(duì)比計(jì)算地埋管地源熱泵的靜態(tài)投資回收期(見(jiàn)表5)。

表3　空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

表4　不同系統(tǒng)年熱水運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

表5　不同空調(diào)系統(tǒng)投資回收期對(duì)比

通過(guò)對(duì)比，地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)：1)地埋管地源熱泵機(jī)組制冷的COP值為6.0，比水冷螺桿機(jī)組制冷的COP值4.95高21.2%；2)雖然地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的初投資多出355萬(wàn)元，但每年的運(yùn)行費(fèi)用可以節(jié)約45.8萬(wàn)元，靜態(tài)投資回收期為7.75年，而且隨著電費(fèi)費(fèi)率的提高，投資回收期會(huì)相應(yīng)縮短。

6　結(jié)語(yǔ)

地埋管地源熱泵作為一種可再生能源空調(diào)形式，在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需對(duì)土壤的熱平衡進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，保證地源熱泵系統(tǒng)的排熱和吸熱的平衡，使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

[1]GB 50189—2015，公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]GB 50366—2005，地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范(2009版)[S].

[3]GB 50015—2003，建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2009版)[S].

Design and economic analysis of ground source heat pump system of a residential area in Wuhan

Wu Weihua

(CITICGeneralInstituteofArchitecturalDesignandResearchCo.,Ltd,Wuhan430014,China)

Introduces the technical scheme of the GSHP air-conditioning system, from the design of air conditioning cold and heat sources and design of underground pipe system, analyzes the operation strategy of the cold and heat sources, and compares with the traditional air conditioning system, provides the basis for system comparison and choice of GSHP and conventional air conditioning form.

ground-coupled heat pump, air conditioning system, economy

1009-6825(2016)19-0113-02

2016-04-23

吳瑋華(1985- )，男，碩士，工程師

TU832

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