（环境工程专业论文）基于实测的地埋管地源热泵空调技术的节能与应用分析.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文刨新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了丈中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：出丝。日期：冱l q 生盟羽凰 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部f - 1 ( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 地源热泵技术在国内处于飞速发展的阶段，相应的研究也越来越多。湖北省出入境检 验检疫局实验楼空调工程是国家建筑节能示范工程，采用加入热回收部分的冷却塔垂 直地埋管混合式地源热泵系统作为空调方案。本文以该工程为例，介绍了地埋管换热器、 热回收部分和冷却塔部分的设计方法，对工程实测数据进行了整理和分析，并利用d e s t 软件模拟计算各种空调方案的能耗情况，采用不同空调方案相比较的方法说明地源热泵系 统的节能特性。 对该工程实测所得数据进行整理和分析，可知地源热泵系统采暖季平均能效比为 2 6 6 ，2 0 1 0 年3 月1 日至2 0 1 0 年3 月1 5 日系统运行稳定期间，系统能效比的平均值为 2 8 3 。采用d e s t 软件进行模拟计算，算得水冷螺杆机组+ 燃气锅炉空调方案在供热季的 系统能效比为1 4 3 ，3 月1 日1 3 ：0 0 至3 月1 5 日1 7 ：0 0 系统能效比为1 3 6 ；直燃式溴化锂 机组+ 冷却塔方案在供热季的系统能效比为o 9 2 ，3 月1 日1 3 ：0 0 至3 月1 5 日1 7 ：0 0 系统 能效比为0 8 7 。从能效比的比较可见，地源热泵系统节能特性显著。在运行费用计算中， 根据样本数据可估算各空调方案的全年能耗，地埋管地源热泵系统的全年能耗是水冷机组 + 冷却塔+ 燃气锅炉方案的5 9 4 ，是直燃式溴化锂机组+ 冷却塔方案的4 7 5 是风冷热泵 方案的4 1 ，由此也可看出地源热泵系统的节能性。 利用d e s t 软件计算该建筑的冷热负荷，算得全年总冷负荷约为总热负荷的3 倍，说 明了武汉地区的建筑负荷特点，和造成土壤热平衡问题的主要原因。而从监测系统采集到 的土壤温度数据可知，经过空调系统在采暖季向土壤吸取热量后，埋管区土壤温度呈下降 趋势，地下四十米以下土壤温度平均下降了1 3 7 ，体现了地源热泵系统在应用中土壤温 度的变化规律。 比较地源热泵空调方案、水冷机组+ 冷却塔+ 燃气锅炉方案、直燃式溴化锂机组+ 冷却 塔方案和风冷热泵方案的初投资和运行费用，可知地源热泵系统的初投资较高，但运行费 用较低，以水冷机组+ 冷却塔+ 燃气锅炉方案为标准，其投资回收年限为4 3 年。而在使用 效果、环境影响、安全性以及操作和维护等方面地源热泵系统都有一定的优越性。 关键词：冷却塔一地埋管地源热泵； 地埋管换热器； 冷却塔控制策略；热回收技术； 节能 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fg r o u n ds o u r c eh e a tp u m pd e v e l o pr a p i d l yi no u rc o u n t r y t h e r e a r e m o r ea n dm o i er e s e a r c h i n gi nr e c e n ty e a r s e n t r yi n s p e c t i o na n dq u a r a n t i n eb u r e a ui nh u b e i p r o v i n c el a bb u i l d i n ga i rc o n d i t i o n i n gp r o j e c ti sa ne n e r g y - s a v i n gd e m o n s t r a t i o np r o j e c to f n a t i o n a l i t sa i rc o n d i t i o n i n gp r o g r a mu s e dc o o l i n gt o w 舒- v e n i c a l l yu n d e r g r o u n dp i p e g r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e mw i t hh e a tr e c o v e r yp a r t t h ep r o j e c t a sa ne x a m p l emt h i s a r t i c l e t oi n t r o i i u c e dt h ew a yo fd e s i g no fu n d e r g r o u n dp i p eh e a te x c h a n g e r , t h ep a r t0 th e a t r e c o v c r ya n dt h ec o o l i n gt o w e r r e o r g a n i z a t i o na n da n a l y s i st h em o n i t o rd a t eo f t h ep r o j e c t u s ed e s ts o r w a r et od i ds i m u l a t i o na n dc o m p u t a t i o nt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no f v a r l o u sa i r c o n d i t i o n i n gc o n d i t i o n s u s i n gt h ew a y o fc o m p a r i s o nw i t hd i f f e r e n ta i rc o n d i t i o n i n gc o n d l t i o n s t os h o w sp o w e r - s a v i n gc h a r a c t e r i s t i co fg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e m c o l l a t i o na n da n a l y s i st h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fm o n i t o rd a t ef r o mm a r c h 2 010 ，c a nb e 0 b t a i n st h ee f f i c i e n c yr a t i oo fg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e mw a s2 8 3 i t sh i g h e l t h a n o t h e r a i r - c o n d i t i o n i n gp r o g r a m s ，e n e r g ys a v i n ge f f e c t i so b v i o u s c o l l a t i o na n da n a l y s i st h es o l l t e m p e r a t u r ed a t af r o md e c e m b e r2 0 0 9t om a r c h 2 010 w ec a ns e et h r o u g ht h eh e a te x t r a c t l o n s v s t e me x c r a 以o nt h eh e a tf r o ms o i l ，i t st e m p e r a t u r ed e c r e a s e d i tw a si n d i c a t i n gt h ev a r i a t l o n r u l eo fs o i lt e m p e r a t u r ei nt h ea p p l i c a t i o no fg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e m c o m p a r e dt h ei n i t i a l i n v e s t m e n ta n do p e r a t i n gc o s t so ft h eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m p p r o g ，锄，w a t e rc o o l i n gu n i t + c o o l i n gt o w e r + g a sb o i l e rp r o g r a m ，d i r e c t - f i r e dl i b r + c o o l i n g t o w e rp r 0 掣a ma n da i r - c o o l e dh e a tp u m pp r o g r a m w ec a l ls e et h e i n i t i a li n v e s t m e n to fg r o u n d s o u r c eh e a tp u m pi sh i g h e rb u to p e r a t i n gc o s t sl o w e rt h a no t h e r s c o m p a r e dw i t hw a t e rc o o l i n gu n i t + c o o l i n gt o w e r + g a s b o i l e rp r o g r a m t h ep a y b a c k p e r i o di s4 4y e a r s c o m p a r i s o no fa n n u a le n e r g yc o n s u m p t i o n o fa i rc o n d i t i o n i n gs c h e m e t h e e 1 1 e r g yc o n s u m p t i o no fg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e mi s 6 0 7 o fw a t e rc o o l i n gu n i t + c 0 0 1 i n gt o w e r + g a sb o i l e rp r o g r a m ，4 8 5 o fd i r e c t - f i r e dl i b r + c o o l i n gt o w e rp r o 蹦眦， 41 8 o fa i r c o o l e dh e a tp u m pp r o g r a m o b v i o u s l yt h a tg r o u n d s o u r c eh e a tp u m ps y s t 咖c a i l s a v ep o w e r k e y w o r d s ：c o o l i n gt o w e r - g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ；g r o u n dp i p e h e a ti n t e r c h a n g e r ； c o o l i n gt o w e rc o n t r o ls t r a t e g y ；h e a tr e c o v e r yt e c h n o l o g y ；e n e r g y c o n s e r v a t i o n 第1 i i 页 第一章绪论1 1 1 课题背景一1 1 2 地源热泵的发展l 1 2 1 地源热泵的起源1 1 2 2 混合式地埋管地源热泵的研究和发展2 1 3 本文的主要工作3 第二章地源热泵空调工程实例概况4 2 1 工程概况4 2 2 空调方案5 2 3 地埋管换热器设计j 6 2 4 工程重点技术分析7 2 4 1 热回收技术一卫生热水系统7 2 4 2 冷却塔运行策略9 2 4 3 施工技术1 3 2 5 本章小结17 第三章地源热泵实例工程的运行实测与分析1 8 3 1 数据的监测与采集1 8 3 1 1 监测内容1 8 3 1 2 监测系统方案1 8 3 1 3 监测设备1 9 3 1 4 监测软件2 l 3 2 数据的整理与分析2 4 3 2 1 环境温湿度2 4 3 2 2 能耗2 5 3 2 3 能效比2 6 3 2 4 土壤温度变化。2 8 3 3 本章小结3 3 第四章建筑建模与模拟计算3 5 4 1 动态负荷计算方法介绍3 5 4 1 1 常用动态负荷计算方法3 5 第1 v 页武汉科技大学硕士学位论文 4 1 2d e s t 软件简介3 6 4 2 建筑建模与动态负荷计算3 7 4 2 1 建筑建模3 8 4 2 2 建筑动态负荷计算结果分析3 9 4 3 建筑节能评估4 3 4 3 1 空调方案模拟。4 3 4 3 2 能耗计算结果4 4 4 4 本章小结。4 5 第五章各种冷热源配置方案的对比与分析4 7 5 1 不同空调方案初投资比较4 7 5 2 不同空调方案运行费用比较4 8 5 3 综合比较5 0 5 4 本章小结5 l 第六章总结与展望。5 2 6 1 总结5 2 6 2 进一步展望5 3 参考文献5 4 墅| 【谢5 7 附录i 攻读硕士学位期间论文发表情况5 8 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 课题背景 第一章绪论 随着国民经济的增长、城市建设的发展、人民生活水平的提高以及房地产业的升温， 我国空调行业得到了空前的发展。在能源危机日益严重的今天，建筑能耗成为了备受关注 的热点问题，从建筑能耗在社会综合能耗比例来看，1 9 9 2 年为1 5 ，目前已达到2 7 5 ， 2 0 2 0 年将会增加到4 0 ，再加上原材料运输和损耗等因素，建筑能耗可能高达5 0 ，据 统计我国现有超过4 0 0 亿平方米的高耗能建筑，不但对常规能源依赖性巨大，而且隐含着 难以估计的能源浪费。而在建筑耗能中，空调用能已成为了季节性能源消耗的大户，所以 要实现经济与能源的协调发展，迫切需要认真考虑空调的节能问题，大力发展新能源与可 再生能源，同时积极推广和使用高效节能、环保型的空调产品【l 】。 热泵技术是应用低位可再生能源的重要技术措施之一。热泵系统是利用低温热源进行 供热、制冷的新型能源利用方式，与使用煤、气、油等常规能源供热方式相比，它具有清 洁、高效、节能的特点。因地制宜的发展热泵系统，有利于优化能源结构，提高能源利用 效率。而利用地热能的地埋管地源热泵，作为一种节能又环保的绿色空调方式，必将成为 重要而有效的暖通空调技术。但由于国内发展较晚，地埋管地源热泵技术在工程应用上还 很不成熟，有很多待解决的问题，而且地源热泵系统受工程所在地地质、气象环境的影响 较大，在设计和施工中不能单一而论，所以需要设计指导和类似工程经验的分析。另外， 在实际应用中采用地源热泵系统的具体节能情况如何，需要结合工程实例去进行分析，这 两方面内容也就是本文主要研究的对象。 1 2 地源热泵的发展 1 2 1 地源热泵的起源 地源一词是从英文“w o u n d s o u r c e 翻译而来，汉语的内涵则十分广泛，应包括所有 地下资源的含义。但在空调业内，目前仅指地壳表层( 小于4 0 0 米) 范围内的低温热资源， 它的热源主要来自太阳能，极少能量来自地球内部的地热能。地球表面的水体和土、岩石 是一个巨大的太阳能集热器，收集4 7 的太阳辐射热能，这个能量比人类每年利用能量 的5 0 0 倍还要多，它几乎是无限的，可再生的能源。而地源热泵的技术思路则是以少量高 品位能源( 如电能) ，实现从浅层地能( 土壤地能、地下水中的和地表水中的低位热能) 向高位热能转移。地源介质在冬季作为热泵供暖的热源和夏季制冷的冷源。即在冬季，把 地源介质中的热量“吸取”出来，提高循环介质温度后，为用户供暖；夏季，把室内的热量 取出来，释放到地源介质中去，由地源介质将其储存。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 2 0 世纪中期以来，能源和环境问题得到全世界的普遍关注，对节能环保的追求，使 得人们开始重视利用可再生能源的地源热泵。7 0 年代后，受石油危机影响，地源热泵的 研究渐渐走上正轨。1 9 8 5 年美国仅有1 4 万台地源热泵；到1 9 9 8 年，安装的地源热泵机 组就达到了5 万套，其中4 6 是采用垂直埋管闭式回路，3 8 为水平埋管闭式回路，1 5 是开式回路系统。1 9 9 8 年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量1 9 ，其中在 新建筑中占3 0 。在欧洲的瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家，地埋管地源热泵被大量 用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1 9 9 9 年的统计，在家用的供热装置中，地源 热泵所占比例，瑞士为9 6 ，奥地利3 8 ，丹麦为2 7 。近年来，随着能源和环境问题 的同益突出，地源热泵的研究和应用发展更加迅速，全球范围内地源热泵的装机容量连续 的增长，年增长率达1 0 - - 3 0 ，且应用范围不断扩大【l 】【2 j 【3 j 。 上世纪8 0 年代以来，地源热泵的研究和应用逐渐在国内成为热点。上世纪8 0 年代初， 天津大学和天津商学院就率先在地热供暖方面开展了一系列的理论和实验工作，并于 2 0 0 0 年在天津大学建设了地埋螺旋管式地源热泵实验台，对螺旋盘管地源热泵冬季供暖 和过渡季制冷工况进行了实验研究。1 9 8 9 年，青岛建筑工程学院同瑞典阜家工学院合作 建立了国内第一个地埋管地源热泵实验室，主要从事水平埋管的研究。原重庆建筑大学进 行了竖直埋管的理论研究工作，通过实验方法测定了重庆地区地下准稳态温度，8 0 年代 末原华中理工大学进行了水平埋管的换热理论研究；1 9 9 8 年，重庆大学建成了一个7 k w 浅埋热泵系统及埋深分别为0 9 m 和1 8 m 的双层水平埋管地源热泵系统；2 0 0 0 年以来， 重庆大学进行了5 0 米埋深u 型埋管地下换热器的冬夏季运行工况的性能测试和分析。 1 9 9 9 年，同济大学在联合技术公司的资助下，进行了为期多年的土壤一太阳负荷热源的 研究，重点针对长江中下游地区含水率较高的土壤蓄热放热特性进行测试，同时还开展了 采用4 0 - - 5 0 m 埋深的u 型地埋管换热器时，地埋管地源热泵的性能实验和土壤热物性的 测试研究【3 】【4 】【5 】【6 1 。 1 2 2 混合式地埋管地源热泵的研究和发展 在地埋管地源热泵系统的设计与应用中，土壤的热平衡问题逐渐得到人们的重视：由 于不同的地区地理环境和气候条件都有一定差异，若不设法解决土壤热平衡问题，会无法 发挥地埋管地源热泵的节能优越性，甚至有可能多耗能。以我国为例，当地埋管地源热泵 系统冬夏兼用时，在北方地区建筑热负荷大于冷负荷，所以系统冬天从土壤中提取的热量 就会比夏季向土壤中排放的热量要大，而南方地区则相反，于是就会造成土壤得失热量的 不平衡。长期如此，地下土壤平均温度会逐渐下降或上升，尤其是在地埋管管群集中的中 心区域系统与土壤的换热能力将不断下降，导致系统c o p 的下降，甚至热泵系统的瘫痪。 于是，如何因地制宜采取相应的措施和方法，解决土壤热平衡问题并充分发挥地埋管地源 热泵的功效成为了地源热泵研究与应用中一个亟待解决的重要课题。 混合式地埋管地源热泵是如今解决土壤热平衡问题效果显著、应用较广泛的方法。混 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 合式地埋管地源热泵即把地埋管地源热泵与其它形式的加热( 散热) 设备结合使用，弥补 在某些地区单独使用地源热泵时的缺陷，很好的平衡了土壤的热量得失，使其优越的性能 得到很好的发挥。另外，在冬夏负荷相差较大的地区，设计中会根据冷热负荷较大者设计 埋管长度，但若在系统中加入辅助加热( 散热) 设备，则可根据较小负荷进行设计，大大 减少了埋管长度。如在冷负荷大于热负荷的建筑内采用单一型的地埋管地源热泵时，势必 要根据建筑的冷负荷来设计地埋管长度，这个长度肯定大于按建筑热负荷设计的地埋管长 度，如果此时选用冷却塔一地埋管地源混合式热泵，采用冷却塔和埋管同时作为系统冷却 源，就会减少所需埋管长度，降低了投资获得较好的经济性。 近几年国内在混合式地埋管地源热泵课题上的研究j 下在逐渐升温，到目前为止，有哈 尔滨工业大学和青岛理工大学在太阳能与地埋管混合式地源热泵方面进行了模拟仿真研 究，其中哈尔滨工业大学的余延顺，黄丽君等人对太阳能与地埋管混合式地源热泵系统采 用m a t l a b 编程，分析了热泵系统各参数在静态和动态运行工况下的运行特性，并以哈尔 滨地区为例进行了仿真模拟计算。对于适合在冷负荷占主导的建筑内采用的混合式地埋管 地源热泵方面的研究在国内鲜有报道，不过已经有一些这方面的工程应用，宁波市鄞州区 的科技中心综合楼即是采用此系统，取得了不错的节能经济效应【4 】，而武汉清江花园的地 埋管地源热泵系统在设计施工中也预留了冷却塔的安装【l 】。 1 3 本文的主要工作 受到各地区土壤特性和气象参数的差异的影响，地源热泵的地域特殊性显著，冷却塔 一地埋管地源热泵系统也还处于研究和发展阶段，在理论和工程应用上还不够成熟，需要 结合实际工程去研究这种技术，并加以分析和评价，使之逐渐完善。本文结合湖北省出入 境检验检疫局综合实验楼工程进行以下工作： 介绍该工程的建筑特性和所采用的空调方案，并以该项目为例说明地埋管换热器的设 计方法和布置方案。 结合实际使用效果，对回收利用冷凝余热制造生活热水、辅助散热设备冷却塔部分进 行计算和分析。在工程施工期间了解和搜集相关资料，根据该工程实测所得地质资料，对 施工难点和解决方案进行分析。 整理该工程监测系统采集的空调系统运行数据，分析其能耗情况和埋管区土壤温度的 变化。 采用d e s t 软件对该建筑进行模拟计算，根据计算得到的建筑负荷分析工程所在地的 负荷特点和造成土壤热平衡问题的主要原因。并计算当该建筑采用不同空调方案时的能耗 情况，将其结果与地源热泵系统进行比较。 从初投资、运行费用和维护费用等方面比较各种空调方案，分析地源热泵方案的优越 性。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 工程概况 第二章地源热泵空调工程实例概况 湖北省出入境检验检疫局综合实验楼工程是“十一五”国家科技支撑计划项目“可再生 能源与建筑集成示范工程”课题，是由住房和城乡建设部组织管理的2 5 个重点项目之一。 该课题对可再生能源集成技术加入热回收部分的地源热泵系统的优化设计、运行方案 的合理性、空调系统的监测以及施工技术等关键领域进行了研究，以达到解决地源热泵系 统与建筑集成技术相结合的目的，并对其整体运行效果进行评估。 湖北省出入境检验检疫局综合实验楼是一个具有现代化标准的集办公、试验、对外接 待为一体的节能型办公大楼，项目建设地点在武汉市汉阳琴台路北侧。建筑按一类公共建 筑设计，采用钢筋砼框架结构，办公区、服务区按中央空调设计，实验室区按分体空调设 计。建筑防火等级一级，防水等级二级，抗震设防烈度6 度。主体建筑为地上1 9 层，设 地下室一层，其中地下车库按六级平战结合人防工程设计。该建筑总建筑面积为2 6 8 3 5 7 6 m 2 ，其中地上建筑面积2 4 3 9 9 2 8m 2 ，地下建筑面积2 4 3 6 4 8m 2 ，建筑高度为7 3 8 m 。建筑 实照见图2 1 。 图2 1 湖北省出入境检验检疫局综合实验楼建筑实照 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 2 2 空调方案 为了达到较好的经济性和节能效果并提供舒适的室内环境，建筑中除个别对温湿度有 特别要求或2 4 小时不间断工作的房间、消防中心和电梯机房采用分体风冷机外，项目主 要采用集中空调方式，办公部分空气调节系统型式为“风机盘管+ 新风系统”，营业大厅、 餐厅、大会议室采用“恒温恒湿空调机组+ 低速风道”系统，实验室及单身公寓采用“v r v + 新风系统”方式。每个房间可以单独进行控制，最大限度的节约能源。空调系统冷热源采 用地埋管地源热泵系统，以地热作为空调的冷热源，通过地源热泵机组为建筑制冷、供暖 和供应卫生热水。对采暖和制冷系统可进行温度调节的特点，配合优良的外遮阳系统和外 保温结构，再辅以完善的新风设备和相关系统提供高质量的室内气体环境，使该工程的空 调系统达到最佳的节能效果【1 4 】。 考虑到武汉市从2 0 0 5 年开始实施住宅节能标准化措施，要求新建筑都应采取外墙保 温和中空玻璃等节能措施，因此会很大程度上降低室内空调的使用负荷；而且办公大楼和 住宅的空调使用时间大部分相互错开，根据建设单位提供的建筑面积，经计算后确定夏季 空调冷负荷综合最大值为2 7 0 0 k w ，其中主楼为1 8 0 0 k w ，公寓及实验室为9 0 0 k w ，冬 季热负荷综合最大值为1 3 0 0 k w 。 根据地源热泵机组的特点和系统功能特点以及建筑负荷大小，机房系统配置3 台意大 利克莱门特地源热泵机组。其中2 台为制冷量9 4 0 k w 的部分热回收式地源热泵机组，夏 季提供7 1 2 冷水，冬季提供4 0 4 5 热水至空调术端装置使用，同时提供卫生热水至热 水箱供单身公寓及实验室厨房使用；过渡季节及冬季选用一台2 0 0 k w 全热回收地源热泵 机组提供5 0 5 5 卫生热水。两台余热回收型主机的能力需满足夏季冷负荷和冬季热负荷 的需求，三台主机的热回收量满足生活热水的需求。三台机组均需采用高温型制冷剂 r 1 3 4 a 。该工程空调系统原理示意图见图2 2 。 卫生 热水 循环 水泵 一 按设施 用户侧空调泵 - - - ，声下- n 一渊t 3 地琢热泵机组tj 分水 地源侧循环泵 集水器 图2 2 地源热泵系统原理示意图 注：1 炜0 冷工况：阀门l 、2 、7 、8 开，阀i 、j3 、4 、5 、6 关。 2 席0 热工况：阀门3 、4 、5 、6 开，阀门l 、2 、7 、8 关。 互) n 一、乏y 直地埋管系统 接垂直地埋管系统 轴厂广 椭坷 胀1 膨 i l i l 式 n ” 也 臣臣 鼬柑叫刮萄 自鲁 蛐酋 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 2 3 地埋管换热器设计 地埋管地源热泵系统在空调术端部分的设计和传统空调方式相同，所以其设计重点 是地埋管换热器部分。根据该项目的设计条件进行地埋管钻井数量、钻井总长度的计算， 并分析埋管区钻井的规划布置： 根据在前期地埋管换热测试中所做的试钻孔换热量的测量和计算，可得知钻井单位 井深获取热量的能力为4 1 9 w m ，单位井深释放热量的能力为7 0 4w m 。该建筑负荷特 点是冷负荷大于热负荷，所以基于建筑热负荷1 3 0 0 k w 进行钻井数量计算，设计采用双 u 形式地埋管换热器，钻井有效深度为9 5 m ，再根据公式2 1 ： n ：= q x1 o o o q h 式中：n - 一所需钻孔数目，个 q 一地埋管热负荷，k w q 通过现场换热测试得到的单位钻孔深度的换热量，w m 卜钻孔深度，i n 公式( 2 1 ) 于是可算得钻孔个数为：= 筹= 3 2 7 ，则钻孔中双u 形地埋管的总长度 为l = 4 h x n - - - 9 5 x 4 x 3 2 7 = l2 4 2 6 0 m 。 通过计算与经验数据的选取，可得下列地埋管换热器设计数据：地埋管换热器采用 双u 垂直埋管形式，钻井井深9 6 m ，有效埋深为9 5 m ，钻井间距为5 m x 5 m ，井径1 5 0 m m ； 地埋管换热器总井数为3 2 7 口，埋管区总占地面积为7 4 4 0 m 2 ；地埋管垂直部分总长度为 1 2 4 2 6 0 m ，埋管管材选用p e l o o d n 2 0 。 埋管区钻井的布置充分利用建筑周围的绿化带，在建筑物的四周分十二个区域进行 埋管，钻井单孔间距为5 m x 5 m ，采用“梅花状”布置，每个区域为一个环路，共分1 2 个 支路( a l ) 接至制冷机房，地源侧的集水器和分水器布置在制冷机房内。各支路水平 集管同程设计，保证单个支路各孔的水力平衡。支路水平总管为d 1 1 0 、d 1 2 5 ，由穿墙 套管进入机房，接至集水器和分水器。室外地埋管部分布置情况如图2 3 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 曼蕈二】至二薹互二二二二二一一一一 一k - 一一一一一一一二ja ； _ j ki | k _ _l 一一- j 矗一一_ l - - - _ 一 2 4 工程重点技术分析 图2 3 室外地埋管换热井布置图 2 4 1 热回收技术一卫生热水系统 1 热回收技术一卫生热水系统介绍 空调系统的热回收技术在国内已经有所应用，热回收机组通过回收冷却水系统中的散 热量，用于加热、预热生活热水或生产工艺热水，实现废热利用，并减少冷凝热对环境产 生的热污染，又可减少冷却塔的运行费用和噪声。热回收技术应用于低温热水的预热，使 其热交换效率更高；应用于高温热水的加热，会增加冷水机组的功耗，但其总功耗相对于 用锅炉加热而言还是节约了大量一次能源的，所以无论是利用热回收进行预热还是加热热 水，都可以节省大量的系统运行费用【l9 1 。 在地源热泵系统中使用热回收技术生产生活热水的实际工程应用还处于摸索和尝试 阶段，但显然热泵机组加入热回收环节的节能环保效益更加显著。而且由于地埋管地源热 泵系统中冬夏冷热量差值造成的土壤热平衡问题必须要解决，所以将机组中冷凝余热加以 利用，不仅节约了制造生活热水所需的一次能源，更可以缓解土壤热平衡问题，减少辅助 散热设备的设计容量。武汉地区冬夏负荷特点是夏季制冷需求远远大于冬季制热需求，所 以十分适合在地源热泵系统中加入热回收部分的系统形式。 在该工程中，三台热泵机组的热回收热量承担制造卫生热水所需热量。地源热泵机组 在夏季运行时，机组蒸发器制冷对建筑提供冷量，同时冷凝器向系统外释热，利用蓄热水 箱或其他蓄热装置回收该部分冷凝热，并制造热水，夏季可由部分热回收机组为用户2 4 小时免费提供4 5 5 0 。c 的卫生热水；过渡季节及冬季用全热回收地源热泵机组提供5 0 5 5 卫生热水；强化了冷凝器的换热效果，提高了机组运行的c o p 值。 2 卫生热水设计 根据招标文件要求和空调初设方案确定部分卫生热水设计参数。武汉市位于湖北省东 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 部，由建筑给水排水设计规范g b 5 0 0 1 5 2 0 0 3 中表5 1 4 冷水计算温度表中查得，湖北 东部地面水温度为5 c 。卫生热水使用温度为5 5 。c ，全年热水用量4 t h ，最高同热水用量 为11 6 d ，最大小时热水用量为2 4 d 。热水系统采用上行下给式机械循环系统，实验 室卫生热水箱2 0 埘，单身公寓卫生热水箱1 0 小，分别设置于屋面。生活热水小时耗热量 计算公式如下： q h = 1 1 6 3 q r h ( t ，一t 1 ) p r 式中：已设计小时耗热量( w ) ； 公式( 2 2 ) g 巾设计小时热水量( k g h ) ； 设计热水温度( ) ，5 5 c ； ，设计冷水温度( ) ，5 o 岛热水密度( k g l ) ，根据热水密度表查得当热水温度为5 5 。c 时， p t = 0 9 8 6 k g lo 则生活热水小时耗热量为： q h = 1 1 6 3 q ，h ( t ，一t 1 ) 岛= 1 1 6 3 x 4 0 0 0 x ( 5 5 5 ) 0 9 8 6 = 2 2 9 3 k w 即：生活热水小时耗热量约为2 3 0 k w ，热水量为4 t h ，热水温度为5 5 。 3 使用效果分析 土壤热平衡问题的产生是因为系统向土壤释放的热量大于系统从土壤中取得的热量， 要解决这个问题就要尽量缩小系统得失热量差值，而制造卫生热水的耗热量全部由地源热 泵机组的热回收热量来承担，这部分热量属于系统得热量，所以利用冷凝余热制造生活热 水有助于土壤热平衡问题。 由于制造卫生热水的全年总耗热量是一个不确定值，影响这个值的因素非常多，设计 中是根据建筑特性计算其小时耗热量最大值，而无法得知耗热总量，所以回收系统冷凝余 热制造卫生热水能够缩小多少得失热量差值，节约多少能源不能通过计算得到。但是这部 分热量与系统得失热量差值相较而言小的多，必然在其范围之内，因此在设计中只要地源 热泵机组的回收热量满足热水小时最大负荷即可，此技术的节能效果和对土壤热平衡问题 的帮助依然可以体现。 本文工作截止至该项目空调系统运行一个冬季采暖期，后续工作可以调查建筑热水全 年用量情况，得知这个数据后便可计算生活热水耗热量逐时值，从而得到制造热水的全年 总耗热量，也就可以分析系统在这方面的具体节能情况。而在系统冬季四个月采暖期的运 行期间，卫生热水供应效果很好，能够满足用户需求。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 2 4 2 冷却塔运行策略 冷却塔作为辅助冷源的加入是解决土壤热平衡问题的主要措施，尽管利用系统余热制 造卫生热水也是缩小土壤热量得失差异的方法之一，但真正要基本平衡这部分热量，主要 还是依靠冷却塔的运行。而冷却塔如何控制启停、运行时间才能发挥其应有的效用并很好 的解决土壤热平衡问题，一直是复合式地源热泵技术在运用中的问题之一。由于不同的建 筑有其各自的使用特性，冷却塔的控制策略应根据实际情况进行设计。 本工程为保证地埋管区域土壤全年得失热量平衡，除利用热回收地源热泵机组提供卫 生热水平衡部分热量外，还需在夏季采用一台闭式冷却塔作为辅助冷却源措施。 1 冷却塔选型 冷却塔选型方法介绍 冷却塔地埋管地源热泵系统中冷却塔的选型，既要保证冷却塔在系统全年的运行中 能够负担所有系统需释放的热量与系统制造的热量之差，还要避免设备选型过大造成浪 费。目前已有的几种计算方法如下： a s h r a e 在1 9 9 5 年给出了其推荐的选型设计方法( 主要是计算作为辅助散热设备的 冷却塔的容量) ，公式如下： o r e j = 警 公式( 2 3 ) 式中： q r 。，辅助散热设备( 冷却塔) 设计放热量，k w ； 鲩瓜，设计供冷月散热总量，k 、； q ! 咖r 。，设计供冷月里通过地埋管换热器排放到土壤中的散热量，n ； 胁“昭设计供冷月小时数，h 。 对于干式闭式环路液体冷却设备，散热设备选型的室外设计条件为设计月的平均干球 温度；对闭式冷却塔或开式冷却塔，散热设备选型的室外设计条件为设计月的平均湿球温 度。此选型方法中假设设计月5 0 的时间的室外条件不太恶劣，因此所选设备容量有一 定余量【2 0 1 。 另外，k a v m a u 曲和r a f f 酣y 在1 9 9 7 年提出的设计选型方法如下【2 l 】： a 首先分别计算出在制冷和供暖情况下满足设计条件所需的埋管长度。为确定埋管的所需 长度，需要选择恰当的热泵最低和最高进水温度设计值。例如：某地区t 平均( 全年土壤 平均温度) 为1 0 ，期望热泵的进水温度不低于o 和不高于3 2 ，则设定最低温度限 值t 最蚝( t 平均一1 0 ) ，最高温度限值t 妯( t 平均+ 2 2 ) ；要获得埋管所需负担的放热量 和吸热量，必须知道建筑的冷热负荷以及机组在制冷工况下的e e r 和制热工况下的c o p 值。其推荐方法为取机组进水温度范围的中问值，即制冷工况为( t 平均+ t 曩高) 2 ，制热 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 工况为( t 平均+ t 最低) 2 ，从而得出所需的e e r 和c o p 值。然后根据其推荐的经验表格 查出在两种工况下所需的埋管长度l c 和l h 。 b 根据以上所得出的k 和l h 计算辅助散热设备容量g ，： 钟5 瓦l 习c - z h 式中： q 如制冷设计工况下的额定冷负荷，k w ； 公式( 2 4 ) 口胁制热设计工况下的额定热负荷，k w 。 k a v a n a u g h 在1 9 9 8 年对设备选型方法又进行了改进【2 i 】【2 2 】，该选型方法主要是针对并 联式的混合式地埋管地源热泵系统，设计计算不仅得出埋管的长度和辅助散热设备的容 量，更侧重的是维持每年的土壤得失热量的平衡。其主要步骤如下： a 首先计算得出厶和l ； b 计算辅助散热设备的水流量印朋咖l e r ( 1 s ) ： 印，z 砌：l p m s y , 毕 助垅驴机组冷凝器侧总水量，1 s 。 c 修正在有辅助设备散热情况下的当量满冷负荷运行时e f l h c ( e q u i v a l e n t 为e f l h c k 一 一= 。( - 一丽l p m 石c o o l e r ) 公式( 2 5 ) f u l l l o a dh o u r s ) d 根据上面的e f l h e 研重新计算的厶和厶得出新的印m 伽胁( 1 s ) ，然后再计算，得到： 印朋删胁= l p m 蹦- c 了- - 一 公式( 2 7 ) e 计算出辅助散热设备所需工作的时间( 胁“坶咖打) 胁坶一= 考器 馘旺8 ， r a n g e 辅助散热设备冷却水进出水温差，。 根据d 中得到新的豇选择所需的辅助散热设备型号。 本工程冷却塔选型计算 借鉴冷却塔传统计算方法，根据前文计算的埋管数量和测试所得的钻井冬夏换热能力 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 可计算系统通过地埋管换热器散去热量的最大值。埋管区钻井数量为3 2 7 口，由前期换热 测试结果得知地埋管换热器散热能力为7 0 4 w m ，则地埋管换热器在夏季能承担的散热量 为： q = 3 2 7 7 0 4 x9 5 = 2 1 8 7 k w 系统最大散热量为2 7 0 0 k w ，则冷却塔在夏季冷负荷高峰期需散去的热量为： q = 2 7 0 0 2 1 8 7 = 5 1 3 k w 然后根据冷却水量计算公式( 2 9 ) 可计算冷却塔冷却水量： 一o 8 6 鲁 式中：q 哪龄却塔水量，m 3 l l 公式( 2 9 ) q 需冷却塔散去的热量，( k w ) & 拎却塔进出水的温差，取5 则冷却水量g 小m ，= o 8 6 三 = 8 8 2 4 优3 乃 ) 考虑一定的安全系数，因此配置一台流量为1 0 0 m 3 m 的冷却塔。采用“良机”集团生产 的闭式冷却塔，具体型号为l