223 地源热泵空调在谋地下商业建筑中设计运用系统.doc

地源热泵空调在某地下商业建筑中设计运用 浙江省建筑设计研究院 施春燕 姚国梁摘要：本文分析了浙江某地下商业建筑的特点，对三种冷热源空调方式进行了经济分析比较，并介绍了地源热泵系统在本项目中的设计运用。关键词：地下建筑 可再生能源 地源热泵系统 0 引言随着我国经济的发展，对能源的需求不断增加，对可再生能源的利用开发被提到了议事日程上，国家相继出台中华人民共和国节约能源法、民用建筑节能管理规定、建设部建筑节能“十五”计划纲要、地源热泵系统工程技术规范等一系列法规、政策、并安排专项资金提供财政补贴，大力提倡和鼓励可再生、可持续发展能源的发展利用。地源热泵系统是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400m深）作为冷热源，进行能量转换的供冷、供热系统。它是以传热介质为载体，通过热泵机组的运行，冬季将土壤的热能传递转移到需供暖的建筑物内部，夏季又可以将建筑物内热量，传递转移到地球浅部地层中去。它充分利用了地下土壤常年温度相对稳定的特点，提高了系统运行效率，是高效、节能、环保的一种空调系统。本文通过浙江某地下商业建筑项目，分析探讨了地源热泵系统的运用及与其它空调冷热源方案的比较。1 工程概况本工程地下中央商务区位于中央花园的下方（见图1）。工程总建筑面积为56390m2，共地下2层。其中地下一层主要为精品商业街及地下机械停车库，地下二层主要为停车库及设备辅助用房，并设有4个人防区。建设地属于冬冷夏热地区。到本工程四周有较大的绿化区域，有充足的室外面积用于埋设地埋管，具备采用地源热泵系统先天条件。2 空调负荷特性本工程空调主要用于地下一层的商业街，上部覆盖大于1.5m的绿化带，具有建筑围护结构负荷小、负荷强度变化小、间断运行、负荷的持续性不高、冬暖夏凉、商场人员较多、夏季冷负荷高、而冬季热负荷小、新风负荷较大等特点。空调使用面积约为1.1万m2，按当地气候参数，夏天空调年使用120d，冬季年使用90d，每天按13小时运行计算。由HDY-SMAD暖通空调负荷计算软件算得本项目夏季最大冷负荷为1600kW，冬季最大热负荷为500kW。无生活热水负荷。根据全年动态负荷计算的结果，夏季总冷量累计为1560000kWh，冬季总热量累计为390000kWh，见表1。表1 全年动态负荷表月份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月合计热负荷（kWh）1706251300004062500048750390000冷负荷（kWh）780004160004940004420001300001560000由于夏季的总冷量和冬季的总热量相差悬殊，本项目以冬季的需热量来选择供热方式，而夏季供冷主要采用高效的水冷式冷水机组方式来解决。3 空调冷热源选择3.1 冷热源方案比较空调冷热源的选择，在空调设计中占有举足轻重的地位，不仅关系到项目的建设成本，还关系到系统的日常运行成本。因此，根据项目的特点、合理地选择空调冷热源就显得尤为重要，有必要对工程项目进行多方案经济分析比较，选择最佳方案。以下对三种冷热源的方案进行分析比较：方案一：地源热泵+水冷冷水机组，该方案需设置冷冻机房，无锅炉房，消防安全性较好。使用可再生能源，需要有约3500m2敷设地埋管的场地。方案二：燃气锅炉+水冷冷水机组，该方案需要设置冷冻机房及锅炉房，需设置锅炉烟囱，锅炉房内需设置消防设施、防爆设施。消耗不可再生能源-天然气。方案三：风冷热泵+水冷冷水机组，该方案需设置冷冻机房，无锅炉房，消防安全性好，风冷热泵运行受室外温度影响较大，冬季低温时机组能效较差。3.2 一次初投资分析三个方案的冷热源初投资见表2。表2 冷热源初投资比较项目地源热泵+水冷冷水机组(方案一)燃气锅炉+水冷冷水机组(方案二)风冷热泵+水冷冷水机组(方案三)备注型号数量总价（万元）型号数量总价（万元）型号数量总价（万元）水冷冷水机组550kW N:105kW2台228.5800kW N:108kW2台238550kW N:105kW2台228.5合资地源热泵机组500kW N:108kW1台25.8000000合资风冷热泵机组000000600kW N:171kW1台77.4合资燃气锅炉带换热器000500kW N:1.5kW1台22000合资循环水泵Q:100m3/h H: 32m N:15kW3台31.7Q:140m3/h H: 32m N:18.5kW2台21.9Q:100m3/h H: 32m N:15kW3台31.7合资供热水泵000Q:50m3/h H: 26m N:7.5kW1台11.0000合资地源侧水泵Q:130m3/h H: 32m N:18.5kW2台21.9000000合资1备1用冷却水泵Q:150m3/h H: 28m N:18.5kW2台21.9Q:200m3/h H: 28m N:22kW2台22.23Q:150m3/h H: 28m N:18.5kW2台21.9合资国产冷却塔Q:150m3/h N:4.0kW2台24Q:200m3/h N:5.5kW2台26Q:150m3/h N:4.0kW1台24合资烟囱及辅助设备000不锈钢复合型1套10000含消防设施智能控制系统1套221套221套22合资燃气增容费7.8财政补贴费1.1万m250元/m2-55万元钻孔及埋管Dn32/PE10050元/m17000m8500000124个孔总计155.50.159.06173.3.43.3 年运行费用分析三个方案的年运行费用见表3。表3 年运行费用比较项目地源热泵+水冷冷水机组(方案一)燃气锅炉+水冷冷水机组(方案二) 风冷热泵+水冷冷水机组(方案三) 耗电量kWh运行费（万元）耗气量m3耗电量kWh总价（万元）耗电量kWh运行费（万元）夏季制冷主机28670227.380300000 28.6533000031.52冬季供热主机847838.095026795317.3418720017.88水泵（冬、夏）10851710.361032529.86904808.64冷却塔101090.97151631.49101090.97年维护费（万元）3.505.006.00全年运行费用（万元）50.3062.3465.01能源费用按：电费按：0.955元/kWh，燃气按：3.45元/Nm3 天然气热值按8800kcal/Nm33.4 经济性比较三个方案的一次投资和年运行费用综合见表4。表4 一次投资和年运行费用综合空调冷热源方案一次投资（万元）年运行费用（万元）方案一：地源热泵+水冷冷水机组155.5050.30方案二：燃气锅炉+水冷冷水机组159.0662.34方案三：风冷热泵+水冷冷水机组173.3465.01根据以上三个方案比较可知，方案一的一次投资及日常运行费用均最低、方案二其次、方案三最高，从经济分析及能源的合理利用来看，本项目采用方案一的配置具有较明显的优势。因此，本工程的冷热源采用水冷冷水机组+地源热泵机组的方案。4 地源热泵系统设计4.1 地质勘测报告分析根据实地勘察报告，地质状况见表5。表5 地质状况及几种典型岩土体热物性地层标高（m）岩土层名称湿密度kg/m3几种典型岩土体热物性1导热系数W/(mk)扩散率10-6m2/s密度kg/m3020淤泥(62%)1670-2025淤泥质粘土(含水量57%)1750致密粘土(含水量5%)1.01.40.540.711925-2550粘土(含水量43%)1780轻质粘土(含水量5%)0.50.90.651285-5055粉质粘土夹砂层(含水量27%)1990致密砂土(含水量5%)2.12.31.101.621952-55-65细砂、粉质粘土（含水量33%）1880轻质砂土(含水量7%)0.91.90.641.391285-65-70圆砾2000砂岩2.13.50.751.272570注：地层标高取勘查地段平均值根据本项目的地质勘测报告，地下约70m以上均为粘土土质，无坚硬岩石，方便地埋管施工，且地下水丰富，土壤均处于饱和状态，土壤的导热系数及热扩散均较好。当地年平均气温16.2，根据研究表明，地下浅表层土壤全年恒定温度18左右。项目周边场地开阔，有充足的地埋管施工空间。4.2 地源换热器的设计4.2.1 地埋管负荷无论从空调冷、热负荷及全年动态负荷来看，该工程全年的总冷量远大于总热量，为保持土壤的热平衡及降低初投资，应以冬季负荷为依据设置地埋管地源热泵系统，即，冬季热负荷全部由地埋管及地源热泵空调机组承担，夏季空调冷负荷由地源热泵空调机组（地埋管散热）及水冷冷水机组（冷却塔散热）共同承担。按冬季负荷选择地源热泵空调机组，冬季制热量为500kW，负荷侧进出水温45/50，地源侧进水温10/5，对应的制热系数为4.6；夏季制冷量为483kW，负荷侧进出水温12/7，地源侧进出水温30/35，对应的制冷系数为5.2。根据文献2则地埋管系统最大释热量：空调冷负荷（1+1/COP）+输送热损+ 水泵释热 594kW 地埋管系统最大吸热量：空调热负荷（1-1/COP）+输送热损- 水泵释热= 401kW 4.2.2 地埋管的形式及布置由于当地冬季气温较暖，根据气象资料无冻土层，循环液采用水为介质无须添加防冻液。根据地质勘测报告情况，综合考虑各种因素，本项目地源换热系统设计为垂直U形地埋管系统。由于项目周边场地较开阔，有较充足的地埋管施工空间，经分析测算采用Dn32的单U形地埋管系统，钻孔孔径取150mm,井间距5m5m,管路布置采用并联多环路同程系统，由于埋管紧邻机房，通过水力计算3，最不利环路水阻可控制在32m以内，因此，设置单级分集配器，共6个并联环路，为了达到各环路水利平衡，在集配器上设置平衡阀。水平集管埋深2m，在系统的最高点设置排气装置。埋管布置平面见图2。4.2.3 地埋管换热器的长度计算地埋管换热器的换热效果主要由地埋管的构造及土壤的热物性二部分决定。土壤的热物性是决定土壤的传热性能的主要因素，而测定埋管换热器运行时的传热性能受土壤的导热率、热扩散率、含湿量、温度场、埋管间距等因素影响。其传热过程是一个复杂、非稳态的过程。根据地质资料，取该区域平均土壤导热系数为1.6 W/mK。地埋管的构造及回填材料是决定钻孔内热阻的主要因素，是相对可控的，回填材料的性能国内外都有大量的研究，本工程采用膨润土中加入SiO2沙子的混合物1，导热系数取2.0 W/mK。根据地源热泵机组的设计参数及以上埋管布置条件及文献1中半经验公式的换热管长计算模型及计算软件，计算得到：满足夏季空调最大排热量594kW所需埋管总长度为16971m，单位埋管长度换热量约35W/m，埋管深度取70m，则地埋管孔数为122口；满足冬季空调向地下最大吸热量401kW所需埋管总长度为160400m，单位埋管长度换热量约25W/m，埋管深度取70m，则地埋管孔数为114口。按最大埋管数量取值，取埋管总长度为17000m，地埋管孔数为122口。孔间距5m，占地面积约3500 m2。4.2.4 地埋管的管材及连接地埋管采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热率大、流动阻力较小的聚乙烯（PE100）管，地埋管的质量应符合“给水用聚乙烯（PE）管材”GB/T13663及“冷热用聚乙烯（PE）管道系统” GB/T19473.2的要求，管材承压要求为1.6MPa。U形竖直埋管采用DN32的PE100换热管。连接管道小于Dn63采用电熔连接，Dn63可采用热熔连接4。管道的施工应符合“埋地聚乙烯给水管道工程技术规程”CJJ101的有关规定1。4.3 地源热泵长期运行的可行性分析根据上述设计参数，利用软件模拟20年后的土壤温度变化是否能保证地源热泵机组长期安全高效运行，以确保设计的准确性，充分论证方案的可行性。模拟得出的地下土壤温度变化如右：图3中：Tb土壤温度； EWT进入地源热泵换热器的循环水温度；OWT离开地源热泵换热器的循环水温度；从图中可以看出，使用地源热泵20年后，土壤温度稍有升高，但夏季进入水源热泵机组换热器的循环水最高温度不到30，水源热泵机组的使用效率依然高于常规水冷冷水机组。冬季随着土壤温度的升高，水源热泵机组运行将更加高效。据此，可以确定，设计的埋管长度可以满足要求。4.4 系统原理图45 设计总结结合本工程的规模及冷、热负荷悬殊、四周有较大的绿化区域等特点，经三个方案投资与运行成本的比较，采用方案一可以不设锅炉房，充分利用可再生能源（土壤），减少不可再生能源的消耗，符合国家的能源政策，根据测算，与常规水冷空调加锅炉的机组比较预计每年可节约30%的运行费用。因此，考虑国家的节能补贴之后，采用冷水机组+地源热泵系统具有较明显的优势。 对于夏热冬冷地区，在夏季冷负荷远比冬季热负荷大得多的情况下，为了保持地埋管换热器全年的释热量与吸热量的平衡及尽量降低初投资，夏季冷负荷宜由水冷机组（冷却塔散热）及地源热泵机组（地埋管散热）共同承担，冬季热负荷全部由地埋管及地源热泵空调机组承担。按冬季热负荷设置地源热泵系统，最大释热量与最大吸热量的差值部分可以通