北塘小镇新中式地产大院海鲜坊地源热泵空调系统设计.docx

北塘TBD项目新中式地产大院海鲜坊地源热泵空调系统设计李明龙中铁建设集团有限公司摘 要：地源热泵系统作为利用可再生资源的高效、节能、环保的一种新型空调系统，本文介绍某新中式地产大院海鲜坊地源热泵中央空调系统设计。关键词：中央空调系统；地源热泵水系统设计；地埋管换器设计；New Chinese real estate project Beitang TBD compound Seafood PlaceGround Source Heat Pump Air Conditioning System DesignAbstract: Ground source heat pump system as efficient use of renewable resources, energy saving, environmental protection, a new air conditioning system, this paper introduces a new real estate compound Seafood Place Chinese ground source heat pump central air conditioning system design.Keywords: Central air conditioning system；Ground source heat pump water system design；Underground pipe for design；0 前言地源热泵(Ground-source heat pump) 是一种利用地下浅层地热资源既可供热又可制冷的高效、节能、环保的空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现低温热源向高温热源的转移。主要是运用热泵从浅层地能中（土壤、地下水或地表水）吸取大量的低温位热量（或冷量），通过热泵系统循环把吸取的热量从低温位提升到高温位，为用户提供冬季供暖、夏季制冷空调、全年热水供应或制冷空调和热水联供。它只需消耗少量的高品位能源（如电能），就能获得高于输入能量数倍的热能效果，它是一种高效、环保、节能的空调系统。属于经济效益、社会效益和生态效益显著的社会公益技术。被称为二十一世纪的“绿色空调技术”。地源热泵由于其技术上的优势，推广这种技术有明显的节能和环保效益。地源热泵系统具有以下优点:（1）节能、运行费用低。深层土地资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源。这种温度特性使得地源热泵系统比传统空调系统运行效率要高约40%。另外，地源温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，整个系统的维护费用也较锅炉-制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。（2）一机多用，节约设备用房。地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置。机组紧凑、节省建筑空间，减少一次性投资。（3）保护环境。开发推广地源热泵空调技术可彻底废除中小型燃煤锅炉房，该装置没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，没有任何污染，不会影响城镇的环境质量。（4）利用再生能源, 可持续发展。地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源, 进行能量交换的采暖空调系统。地表浅层地热资源量大面广，无处不在，它是一种清洁的可再生能源。因此，利用地热的地源热泵，是一种可持续发展的“绿色装置”。（5）地源热泵空调机组结构紧凑无外挂设备，美观大方，经久耐用，寿命可达20年以上，低维护费用，为传统空调系统的1/3。天津市塘沽区北塘小镇地处渤海湾边上，地下水位高，土壤导热性能大是地埋管系统换热较合适的土壤类型。由于海鲜坊四周均为绿地，可提供海鲜坊地源热泵系统布管的土壤面积比较大。因此该项目用地源热泵空调系统是比较合适的。1 工程概况本工程位于天津市塘沽区北塘海鲜街，在北塘小镇用地范围内，规划建筑功能为高档写字楼，包括办公、健身及餐饮等主要功能。新中式地产大院海鲜坊采用地源热泵系统（垂直埋管方式）作为冷、热源，解决夏季制冷、冬季采暖。室内末端采用风机盘管加新风系统提供制冷、制热。图1 北塘TBD项目新中式地产大院海鲜坊效果图2 建筑负荷计算2.1室外计算参数天津市塘沽区全年温度分布、月平均温度动态变化见图2、图3。图2 全年温度分布统计图图3 各月平均干球温度2.2室内计算参数 新中式地产大院海鲜坊室内设计参数 表2-1房间名称夏季冬季新风量标注m3/h.人噪声标注dB(A)温度相对湿度温度相对湿度办公室2450224830工具间26-18-30卫生间26-18-2.3建设物动态负荷计算本工程采用清华大学DeST-C负荷计算软件计算全年的动态负荷。最大冷负荷为：1356.66KW 。冬季最大热负荷为1121.88KW，全年最大冷负荷空调面积指标为88.67W/，全年最大热负荷空调面积指标为73.32W/，冷、热负荷变化曲线见图4、图5所示：图4 冷负荷动态变化曲线图 图5 热负荷动态变化曲线图3地源热泵空调系统设计3.1 空调系统概述本工程地下是车库，地上是7个单体楼组成的一个综合建筑楼群。为了便于控制、费用计量和运行调节，设置集中的土壤换热器系统，每个单体楼设置一个独立的空调系统，分别设置机房，机房布置在地下室内。夏季提供7/12的空调冷水，冬季提供45/40的空调热水。机房设备选型见表3-1。 机房主要设备选型表 表3-1设备名称规格及型号单位数量备注地源热泵机组YGSRW-90A/2，制冷量：87KW，输入功率20KW；制热量：90KW，输入功率23.61KW台14每个单体楼2台末端循环水泵TPG50-160(I)Q=20m3/h，H=33mH2O台21每个单体楼3台地源侧循环水泵TPG50-160(I)Q=20m3/h，H=33mH2O台21每个单体楼3台定压罐D360，有限容积0.025m3套7每个单体楼1套软化水处理软化水量1.5m3/h套7每个单体楼1套膨胀水箱1000*1000*1000套7每个单体楼1套3.2 地源热泵空调系统流程图图6 系统工作流程图4 地源换热器系统设计4.1排热量与吸热量计算地埋管换热器是地源热泵系统设计的重点。根据北塘TBD项目北塘小镇工程地埋管现场换热量测试报告中的土壤特性、气候特点、地质结构等特点，结合该项目的具体情况和我们的实际工程经验，该项目采用垂直埋管的方式比较可行。具体设计步骤如下：冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。根据如下公式计算土壤性换热器的换热量：Q1=Q1(1-1COP1)(1)Q2=Q2(1+1COP2)(2)式中：Q1夏季向土壤排放的热量，KW； Q1夏季设计总冷负荷，KW；COP1为设计工况下热泵机组的制冷系数； Q2冬季向土壤排放的热量，KW； Q2冬季设计总热负荷，KW；COP2为设计工况下热泵机组的供热系数；根据公式（1）、（2）计算出夏季向土壤排放的热量为1044.78KW，冬季从土壤吸收的热量为1416.33KW；4.2地源换热器管长根据天津大学测试的北塘TBD项目北塘小镇工程地埋管现场换热量测试报告可知，岩土导热系数为=1.4039W/（m.K），回填材料导热系数为=1.30355W/（m.K）。回填材料采用10%膨润土、10%水泥、80%中粗砂。地埋管换热器长度的计算公式为：制冷工况：(3)Fc=Tc1Tc2 (4)式中 LC 制冷工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度（m）； QC水源热泵机组的额定冷负荷（KW）； EER水源热泵机组的制冷性能系数； tmax制冷工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度，通常取3336； 地埋管区域岩土体的初始温度（）； Fc 制冷运行份额； Tc1 一个制冷季中水源热泵机组的运行小时数，当运行时间取一个月时，Tc1为最热月份水源热泵机组的运行小时数； Tc2 一个制冷季中的小时数，当运行时间取一个月时，Tc2 为最热月份的小时数。制热工况：(5)Fh=Th1Th2 (6)式中 Lh 制热工况下，竖直地埋管换热器所需钻孔的总长度（m）； Qh水源热泵机组的额定热负荷（KW）； COP水源热泵机组的供热性能系数； tmin供热工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度，通常取-26； 地埋管区域岩土体的初始温度（）； Fh 供热运行份额； Th1 一个供热季中水源热泵机组的运行小时数，当运行时间取一个月时，Th1为最冷月份水源热泵机组的运行小时数； Th2 一个供热季中的小时数，当运行时间取一个月时，Th2 为最冷月份的小时数。1、传热介质于U形管内壁的对流换热热阻(7)式中 Rf 传热介质与U形管内壁的对流换热热阻（mK/W）； di U形管的内径（m）； K 传热介质与U形管内壁的对流换热系数W/(m2K)。2、U形管的管壁热阻 （8）式中 Rpe U形管的管壁热阻（mK/W）； U形管的导热系数W/(mK)； do U形管的外径（m）。 de U形管的当量直径（m）；对于单U形管，n=2；对双U形管，n=4。3、钻孔灌浆回填材料的热阻 (9)式中 Rb 钻孔灌浆回填材料的热阻（mK/W）； 灌浆材料导热系数W/(mK)； db 钻孔的直径（m）。4、地层热阻，即从孔壁到无穷远处的热阻 (10)式中 RS 地层热阻（mK/W）； I 指数积分公式； 岩土体的平均导热系数W/(mK)； 岩土体的热扩散率（m2/s）； 钻孔的半径（m）； 运行时间（s）； 第i个钻孔与所计算钻孔之间的距离（m）。根据以上公式和北塘TBD项目北塘小镇工程地埋管现场换热量测试报告中的数据，利用地热之星软件进行模拟设计计算得：Lh=28326.6m4.3地源换热器井的数目垂直埋管的深度多数采用80150米，对于竖埋管，考虑一定的水平间距，尽量减少各埋管单元之间温度场的相互影响，长时间连续运行的间距为36m较适合。本设计取孔间距为5.0m。根据1号测试井和2号测试井钻井结果可知，在该地区钻井深度取120米较为经济合理。根据下式计算出地源换热器钻井数目。螡=LH （11）式中 N为地源换热器钻井总数，（个）； L为钻孔总长度，（m）； H为地源换热钻井深度，（m）。取整后为236个，钻井间距为5.0m。4.4管材和管径的确定根据地源热泵系统工程技术规范要求选择SDR11高聚乙烯PE管，额定承压能力为1.6MPa。一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下换热器埋管常用管径有De20mm、De25mm、De32mm、De40mm、De50mm，管内流速控制在1.22m/s以内，对更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s以内，该项目设计地源换热器埋管采用PE100 De32mm，水平集管采用PE100 De50mm。5 运行效果该项目从2011年9月开始投入使用，运行效果非常稳定，空调使用效果良好，达到了预期设计的设计目的，综合能效比达到4.2以上。制冷工况：夏季在制冷高峰时，两台机组同时开启；平时和过渡季节开启一台机组提供冷源。制热工况：冬季在制热高峰时，两台机组同时供热；平时和过度季节开启一台机组提供热源。6 结束语进入21世纪以来，热泵技术的发展将为空调的发展与应用创造良好的机遇，将迎来热泵空调新的兴旺发展期。作为一种高效、节能、环保可再