1、中圖分類號:TU83文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:1006-8449(200706-0057-030引言實(shí)施可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略已成為我國新時(shí)期能源發(fā)展的基本方針,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。地源熱泵系統(tǒng)作為可再生能源應(yīng)用的主要途徑之一,近年來在國內(nèi)得到了日益廣泛的應(yīng)用,地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范(以下簡稱規(guī)范也已頒布,并于2006-01-01日起實(shí)施。地源熱泵系統(tǒng)利用淺層地?zé)崮苜Y源進(jìn)行供熱與供冷,具有顯著的節(jié)能與環(huán)境效益。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,介紹某辦公樓地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員根據(jù)清華大學(xué)的DeST模擬運(yùn)

2、算軟件,對建筑進(jìn)行空調(diào)全年逐時(shí)動態(tài)負(fù)荷模擬計(jì)算,并綜合考慮各種影響因素,從而確定了空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,以及解決土壤熱平衡的方法與措施。1工程概況及室內(nèi)外參數(shù)本工程由辦公樓(主樓、民政樓和員工食堂組成,空調(diào)面積共32000m2,采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。室內(nèi)、外設(shè)計(jì)參數(shù)見表1、表2。2空調(diào)系統(tǒng)2.1冷熱源選擇計(jì)算利用可再生地?zé)崮茏鳛闊岜孟到y(tǒng)的土壤耦合熱泵系統(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)。本工程采用地源熱泵作為空調(diào)主要冷熱源。主樓冷負(fù)荷2974kW,熱負(fù)荷2080kW;民政樓冷負(fù)荷570kW,熱負(fù)荷399kW;員工食堂冷負(fù)荷872kW,熱負(fù)荷610kW。因食

3、堂使用時(shí)間與主樓、民政樓辦公時(shí)間基本錯(cuò)開,故空調(diào)冷熱源按主樓及民政樓總冷熱負(fù)荷選型?？偫湄?fù)荷:3544kW;總熱負(fù)荷:2479kW。某辦公樓地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與總結(jié)李國棟,朱宇亮,李力群(上海浚源建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所,上海200001摘要:在上海及其周邊地區(qū),建筑物夏季空調(diào)冷負(fù)荷大于冬季熱負(fù)荷,地源熱泵埋管的區(qū)域存在熱積累,出現(xiàn)嚴(yán)重的冷熱負(fù)荷失衡,導(dǎo)致土壤溫度逐年升高,影響系統(tǒng)長期運(yùn)行效能。采用輔助冷卻復(fù)合地源熱泵系統(tǒng),能很好地解決土壤熱平衡問題,同時(shí)也可有效降低系統(tǒng)(地下埋管投資,提高系統(tǒng)的運(yùn)行節(jié)能效果。夏季普通冷負(fù)荷時(shí),完全依靠地源熱泵供冷;夏季冷負(fù)荷較大時(shí),即空調(diào)主機(jī)冷凝出水溫度達(dá)到37時(shí)啟

4、用輔助冷卻裝置,使輔助冷卻裝置和地源熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行。關(guān)鍵詞:地源熱泵;土壤熱平衡;輔助冷卻;經(jīng)濟(jì)性分析表1室外設(shè)計(jì)參數(shù)表2室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)干球溫度夏季空調(diào)室外設(shè)計(jì)濕球溫度3328.6冬季空調(diào)室外設(shè)計(jì)干球溫度冬季空調(diào)室外設(shè)計(jì)相對濕度-576%房間名稱辦公室會議室大堂多功能廳閱覽室餐廳夏季溫度,252527262524相對濕度,%506050605560556050605565冬季溫度,212118202120相對濕度,%404040404040選用3臺意大利克萊門特螺桿式水源熱泵機(jī)組,單臺制冷量1170kW ,輸入功率228.5kW ;單臺制熱量1256kW ,輸入功率276kW

5、。2.2地源熱泵土壤換熱器計(jì)算地下土壤作為空調(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。最大取冷量、取熱量確定1。如式1、式2:Q f =Q C 1+1COP !"(1Q q =Q H 1-1COP h!"(2式中Q f 土壤換熱器最大取冷量,kW ;Q q 土壤換熱器最大取熱量,kW ;Q C 主機(jī)制冷量,1170kW ;Q H 主機(jī)制熱量,1256kW ;COP 夏季循環(huán)性能系數(shù),取5.10;COP h 熱泵冬季制熱系數(shù),取4.55。土壤換熱器宜埋在建筑物室外廣場綠化帶下,因建筑物室外埋管區(qū)域有限。為降低埋管初投資費(fèi)用,且有利于地下土壤熱平衡,埋管長

6、度按冬季熱負(fù)荷計(jì)算。根據(jù)地埋管換熱器傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告,本工程采用單U 管土壤換熱器,夏季土壤換熱器每1m 井散熱量按60W ,冬季每1m 井取熱量按40W 設(shè)計(jì)。埋管長度按下式計(jì)算:2479(1-1/4.55=1934(kW 1934000/40=48354(m 單口井深90m ,共需井:48354/90=537(口根據(jù)現(xiàn)場場地情況,按5m ×5m 間距埋設(shè)90m 深單U 型井553口,基本滿足設(shè)計(jì)要求。2.3空調(diào)系統(tǒng)本工程冬季熱源全部由土壤換熱器提供,為保證土壤熱平衡,土壤換熱器按照冬季負(fù)荷設(shè)計(jì),夏季不足部分由輔助冷卻塔提供。選用3臺意大利克萊門特螺桿式水源熱泵機(jī)組。土壤換熱器

7、夏季向主機(jī)提供30/35的冷卻水,冬季提供10/6的熱源水;夏季提供空調(diào)系統(tǒng)冷量為2450kW ,冬季提供熱量為2551kW ;夏季不足部分設(shè)置一臺300t 冷卻塔通過板式換熱器間接輔助冷卻,系統(tǒng)原理見圖1。冷卻塔運(yùn)行策略:(1系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),冬季及夏季負(fù)荷較小時(shí)采用地埋管就可滿足空調(diào)需要,夏季負(fù)荷很大時(shí),主機(jī)冷凝器出水溫度達(dá)到37時(shí)開啟冷卻塔,地埋管與冷卻塔并聯(lián)聯(lián)合運(yùn)行。達(dá)到確保使用效果和節(jié)能的目的,同時(shí)啟動冷卻塔有利于解決地下土壤換熱平衡問題。(2在系統(tǒng)運(yùn)行的間歇,可以利用冷卻塔降低埋管周圍的土壤溫度。即7、8、9三個(gè)月在夜間(該季節(jié)夜間電價(jià)為低谷電價(jià)機(jī)組停止運(yùn)行的時(shí)候,可以使冷卻塔和地下埋管

8、換熱器在無負(fù)荷狀況下串聯(lián)運(yùn)行,利用冷卻塔將埋管周圍溫度較高的土壤蓄積的熱量排走,對埋管周圍的土壤進(jìn)行降溫。3空調(diào)全年動態(tài)逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算分析采用DeST 模擬運(yùn)算軟件,對建筑進(jìn)行空調(diào)全年逐時(shí)動態(tài)負(fù)荷模擬計(jì)算。夏季空調(diào)負(fù)荷計(jì)算按照系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為150d 計(jì)算。本工程建筑的功能主要是辦公及食堂,空調(diào)系統(tǒng)采用間歇運(yùn)行的方式,辦公室空調(diào)從8:0018:00,每天運(yùn)行10h ,食堂從11:0014:00,17:0021:00,運(yùn)行7h 。冬季空調(diào)負(fù)荷計(jì)算按照系統(tǒng)運(yùn)圖1地源熱泵空調(diào)水系統(tǒng)原理圖注:夏季運(yùn)行時(shí),V1、V3、V5、V7閥門打開,V2、V4、V6、V8、V9閥門關(guān)閉。冬季運(yùn)行時(shí),V2、V4、V6、V

9、8閥門打開,V1、V3、V5、V7、V9閥門關(guān)閉。夏季夜間時(shí),V9閥門打開,V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8閥門關(guān)閉,冷卻塔單獨(dú)運(yùn)行。圖2建筑全年負(fù)荷曲線t /hQ /k W冷卻塔三通調(diào)節(jié)閥板換分水器共15組集分水器共14組共14組集水器地源熱泵機(jī)組地源熱泵機(jī)組地源熱泵機(jī)組自來水膨脹水箱接至大樓空調(diào)系統(tǒng)由大樓空調(diào)系統(tǒng)接來高位膨脹水箱自來水V7V5V4V2V3V1V8V6V9熱負(fù)荷熱負(fù)荷冷負(fù)荷5000.004000.003000.002000.001000.000.00-1000.00110202039305840775096611571348153行時(shí)間為100d計(jì)算,辦公、食堂

10、每天空調(diào)運(yùn)行時(shí)間與夏季相同。利用軟件對建筑的全年累計(jì)供冷量、累計(jì)供熱量進(jìn)行計(jì)算與分析。負(fù)荷累計(jì)計(jì)算結(jié)果見圖2。通過全年空調(diào)逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算,夏季累計(jì)總負(fù)荷為3185740kWh,冬季760248kWh,冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于熱負(fù)荷,即使采用一臺300t冷卻塔輔助調(diào)節(jié)負(fù)荷,也僅能負(fù)擔(dān)夏季冷負(fù)荷的1/3,全年土壤仍有1363578kWh 的負(fù)荷余量得不到解決,導(dǎo)致土壤溫度逐年升高。為此,再增加一臺300t冷卻塔并聯(lián)運(yùn)行,同時(shí)考慮過渡季節(jié)地下土壤散熱及地下水的流動帶走一些熱量,基本達(dá)到全年土壤熱平衡,符合規(guī)范要求。4冷卻塔輔助供冷的經(jīng)濟(jì)分析經(jīng)上述論證,地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)土壤熱平衡問題有2種解決方案。1單臺冷卻塔通過

11、板式換熱器間接輔助冷卻,地埋管與冷卻塔并聯(lián)聯(lián)合運(yùn)行。夏季7、8、9三個(gè)月夜間,使冷卻塔和地下埋管換熱器在無負(fù)荷狀況下串聯(lián)運(yùn)行,利用低谷電價(jià)將埋管周圍溫度較高的土壤蓄積的熱量排走,對埋管周圍的土壤進(jìn)行降溫;22臺冷卻塔通過板式換熱器間接輔助冷卻,地埋管與冷卻塔并聯(lián)聯(lián)合運(yùn)行,使系統(tǒng)冬夏季從土壤中取得的冷熱量基本相等。下面比較兩種方案的經(jīng)濟(jì)性,見表3和表4。通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較發(fā)現(xiàn),初投資及運(yùn)行費(fèi)用均為運(yùn)行1臺冷卻塔時(shí)低,設(shè)計(jì)中確定采用一臺冷卻塔。5結(jié)語(1在華東地區(qū),建筑物夏季空調(diào)累計(jì)冷負(fù)荷遠(yuǎn)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)重的冷熱負(fù)荷失衡,導(dǎo)致土壤溫度逐年升高,影響系統(tǒng)長期運(yùn)行效果

12、。因此,解決土壤熱平衡成為地源熱泵系統(tǒng)能否長期高效運(yùn)行的技術(shù)關(guān)鍵。(2采用輔助冷卻復(fù)合地源熱泵系統(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,提高系統(tǒng)的運(yùn)行節(jié)能效果。(3冷卻塔的數(shù)量及運(yùn)行策略影響熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,應(yīng)通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較確定。參考文獻(xiàn):1美國制冷空調(diào)工程師協(xié)會.地源熱泵工程技術(shù)指南M.徐偉,等(譯.郎四維(校.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.收稿日期:2007-04-03修回日期:2007-07-05表3初投資情況表4運(yùn)行費(fèi)用情況注:11臺冷卻塔按夏季運(yùn)行90d,白天10h,夜間7h;2臺冷卻塔按夏季運(yùn)行90d,白天10h,夜間不運(yùn)行;2辦公用電白天按0.90元/kWh計(jì)算,夜間按0.24元/kWh計(jì)算。1臺冷卻塔(300t系統(tǒng)冷卻塔(電功率15kW1臺10萬元冷卻水泵2臺(電功率30kW,1用1備3萬元合計(jì)13萬元2臺冷卻塔(300t系統(tǒng)冷卻塔(電功率15kW2臺20萬元冷卻水泵3臺(電功率30kW,2用1備4.5萬元合計(jì)24.5萬元名稱塔耗電,kWh水泵耗電,kWh總耗電,kWh