长沙市某医院地源热泵系统的可行性分析.doc

长沙市某医院地源热泵系统的可行性分析湖南大学 土木工程学院 李小鹏 李念平摘 要：地埋管地源热泵系统作为一项节能、环保的空调系统方式，目前已得到广泛应用，但是地源热泵技术有较强的地域性特点，并非具有普遍适用性，需要根据各地的实际工程情况进行可行性分析。本文对长沙市某医院采用地埋管地源热泵系统进行了可行性分析，对建筑全年动态冷热负荷运用清华大学Dest-C软件进行了模拟，首先从系统的冷热量平衡的角度分析其可行性，然后根据实际测试的土壤热物性参数与规范标准比较，最后进行了经济性方面进行了分析。关键词：地源热泵；地埋管；热平衡；热物性参数；经济性1 引言 节能是目前国家发展的新政策，加强新能源和可再生能源的利用，减少常规能源的消耗，实施能量短期或者长期蓄存以达到能量补充和再利用的目的。地埋管地源热泵系统能有效利用岩土内的热资源，实现制冷、供热两项功能一体，是一项高效、节能、环保型的空调技术，它利用土壤的蓄热能力，通过地下埋管，夏季将室内热量排到地下，冬季再将地下热量取出供给室内，从而提高空调系统的效率。近年来其节能环保的特性得到越来越多的重视与应用研究，但地埋管地源热泵系统具有较强的地域性特点，该系统的应用在一定层面上不具有普遍性，所以在设计时应根据工程所在地实际的气候、地质、工程条件以及建筑本身的功能及使用特点进行系统的可行性分析。2 工程概况长沙市某医院综合楼位于湖南省长沙市，共十层，各层主要为办公室、诊室及病房，总建筑面积约为18000。综合楼原采用的是分体式家用空调机和单独的送风系统，未设置中央空调系统。为了响应国家的节能环保政策，现在对医院在建新医技综合楼的同时，对综合楼的原有空调系统进行改建，决定采用地埋管地源热泵系统中央空调系统。经过计算得知，医院综合楼的最大热负荷约为1310KW，最大冷负荷约为1500KW。根据实际勘察资料和医院的现场情况，本工程设计采用双U型竖直地埋管换热器地源热泵系统，打孔共179个，深度为120124米，采用六台模块机组，夏季制冷采用地埋管加冷却塔系统辅助散热，冬季取暖采用地埋管提供主要热源，另外在冬季时的严寒季节用电辅加热器作为补充辅助热源。下图1为地埋管水平管安装现场：图13 冷热量平衡分析在进行地埋管地源热泵系统使用的可行性分析时，关键是看地源热泵系统能否实现全年吸热、放热的平衡，这在很大程度上关乎系统运行的成败。如果全年热平衡失调会导致地埋管耦合换热区域岩土体温度持续升高或降低，从而影响地埋管换热器的换热性能，降低系统运行效率，甚至使系统无法正常工作。因此，地埋管换热系统设计应考虑全年冷热负荷平衡的问题。根据工程实测以及实际工程的经验表明，系统间歇性运行效果要优于连续运行，所以一般来说具体的工程都采用间歇性运行，以便于土壤热量的恢复。因此，全年热平衡分析对于地埋管地源热泵系统的设计而言是非常重要的。在GB50366-2005地源热泵系统工程技术规范4.3.2条明确指出：“地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算，最小计算周期宜为1年。计算周期内，地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡。”在计算出静态的最大冷热负荷后，为了验证土壤的收支热量平衡，采用清华大学能耗计算软件Dest-C对长沙市某医院综合楼进行了全年动态负荷的模拟计算，气象设计参数采用长沙地区的室外设计参数，所建分析模型和结果如图2和图3所示： 图2 某医院模拟模型 图3 全年动态负荷模拟结果4 热物性参数分析深层地下岩土导热系数是设计地源热泵系统地热换热器的重要参数，在设计采用地源热泵系统必须进行热物性参数的测量。现在通常采用现场测量结合参数估计法来确定深层岩土导热系数，为了能够更好的了解所建工程所在地的土壤的岩土层结构、热物性、岩土体温度以及热扩散系数等，对地埋管场地进行了深层岩土层热物性参数测试，测试所用设备采用的是FZL-C（）型岩土热物性测试仪。41 钻孔基本参数表1 钻孔基本参数项目测试孔项目测试孔钻孔深度（m）122钻孔直径（mm）133埋管形式双U管（W管）埋管材质PE管埋管内径（mm）20埋管外径（mm）25钻孔回填材料水泥、原土地质结构泥岩42 测试结果表2 测试结果项目编号初始温度（）导热系数（W/m）容积比热容（106/m3）118.81.9721.396218.31.8631.51543 结果分析根据测试结果显示地埋管区域的地质构成主要是泥岩，其平均导热系数约为1.92 W/m，根据此数据可以看出，该地埋管场地的的岩土导热系数比较大，综合换热能力比较强，而且岩土层的初始温度比较高（18.6），适合采用地埋管地源热泵系统，完全符合GB50366-2005地源热泵系统工程技术规范标准要求。 5 经济性分析经济性是建筑中进行空调系统方案选择时的关键影响因素，地源热泵系统的经济性合理与否直接关系到用户对该系统的选择，而影响地源热泵系统使用的因素有很多，比如电价、用户或者居民行为、气候条件、土壤地质条件以及非正常的炎热或寒冷季节等各种因素，尤其是现在地源热泵系统在中国的应用时间不是很长，实际运行的总结性工作还有待于完善，所以对地源热泵空调系统的应用应该进行经济性分析。长沙市某医院综合楼原有的空调设备为常用的分体式空调机形式，根据调查得知，现在综合楼在冬夏季空调设备的用电量大约是15万元/月；所用地埋管地源热泵系统初投资为1500万元，使用年限为50年，虽然初投资费用较高，但是预算运行费用能比原来的单体机空调系统节省3040。其具体运行费用比较如下表38，而且利用地埋管地源热泵中央空调系统比较节能，符合国家节能环保政策。所以综合比较来说，此工程可以运用地埋管地源热泵工程。表3 供冷方式的运行费用比较冷指标80 W/电价（元/度）效率耗电量（度/h）电费（度/季）电费（元/季）费用比例分体空调0.82.50.03225.6020.481.92地源热泵0.84.80.016713.3310.6616 总 结综合冷热量平衡的分析、热物性参数的测试以及经济性分析，长沙市某医院院综合楼适合使用地埋管地源热泵工程，在使用地埋管地源热泵工程期间，决定采用间歇性的运行方式，这样既可以提高系统的效率，还能增加系统的使用寿命。如果地埋管换热系统的全年冷、热负荷平衡失调，将导致地埋管区域岩土体温度持续升高或降低，从而影响地埋管换热器的换热性能，降低地埋管换热系统的运行效率。因此，地埋管系统应进行能全年冷、热量的平衡分析。当土壤最大吸热量和最大释热量相差较大的时候，应该设置辅助散热（如增加冷却塔等）或辅助供热（如增加供热设备）的方式来解决。随着地源热泵技术的不断发展，人们应该会越来越多的应用地源热泵系统，其经济费用也会随之降低，节能效果会相应得到提高。参考文献1 郭英明 地热与地源热泵技术在北方别墅中的应用研究D 北京建筑工程学院硕士学位论文2 辛岳芝等 某工程土壤源热泵间歇运行的测试研究J 青岛理工大学学报 2008.4，29（4）：65-693 张晓亮,等 建筑环境设计模拟分析软件DeSTJ 第13讲：住宅模拟优化实例 暖通空调2005.8，35（8）：65-724 冯红英 关于地源热泵系统的经济分析J 内蒙古科技与经济 2008.10，173（19）：66-685 刘晓茹 唐山某公寓项目地埋管地源热泵系统设计分析及探讨J 全国暖通年会 20086 王江标 涂光备 光俊杰 潘蓓蓓 医院空调系统的节能措施J 煤气与热力2006.3，26（3）：69-727 地源热泵系统工程技术规范(GB50366-2005)S，2006.18 李新国，赵军等地源热泵系统及经济性分析J全国热泵和空调技术交流会论文