北京市某研发楼地源热泵空调系统设计

本文档下载自文库下载网，内容可能不完整，您可以点击以下网址继续阅读或下载HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/E9B7E78002D276A200292E80HTML北京市某研发楼地源热泵空调系统设计非常有用的学习资料文章编号16727045200805008903北京市某研发楼地源热泵空调系统设计陈捷王松摘要地源热泵技术，是利一举三得，是一种有效地利用能源的方式。这项技术最先开始于1912年，瑞士ZOELLY提出了“地热源热泵”的概念。1946年美国开始对地源热泵进行系统研究，在俄勒冈州建成第一个地源热泵系统，运行很成功，由此掀起了地源热泵系统在美国的商用高潮。1985年美国安装地源热泵14000台，1997年则安装了45000台，目前已安装了400000台以上的地源热泵，并且以每年10的速度递长。1998年美国商用建筑的地源热泵空调系统已经占到空调保有量的19以上，其中在新建筑里面占30121工程概况北京市某研发办公楼，总建筑2面积为11500M，其中地下一层包括用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。本文主要介绍了地源热泵系统从可行性评价到地下热交换器的埋管形式、埋管长度、管路水力计算等方面的设计，为建筑节能技术的推广及应用提供借鉴。关键词地埋管地源热泵系统土壤热交换器U型管中图分类号TU83文献标识码B地源热泵是一种先进的技术，高效、节能、环保，有利于可持续发展。它不需要人工的冷热源，可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热，向建筑物供暖夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷。同时，它还可供应生活用水，可谓餐厅、厨房、车库及各种设备用房；地上三层包括办公室、会议室等，建筑高度为1237M。该工程集办公室、会议室、餐厅为一体的综合性建筑，使用功能相对复杂。业主对建筑外观要求较高，要求屋顶有冷却塔影响视觉效果及空调系统在日后的空调制冷和供暖运行中费用相对低廉。结合以上要求及该工程的实际情况，笔者在设计HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/E9B7E78002D276A200292E80HTML中采用了地源热泵。空调室内设计参数夏季TN2527，5065；冬季TN1822，4055。该工程夏季空调逐时计算总冷负荷为10638KW，冬季供暖负荷1097KW。空调冷（热）源由地下室冷冻主机房的两台螺杆式地源热泵机组提供，每台热泵制冷量为5777KW，制热量为6222KW，夏季冷冻水供回水温度7/12，冬季热水供回水温度45/40。水系统循环动力由六台循环水泵提供，。在欧洲国家里更多的是利用浅层地热资源，来供热或者取暖。上个世纪70年代以来，随着能源和环境问题的逐渐变得严重，在各个方面节能也被更多的考虑，以可再生的地热源为能源的地源热泵又引起了人们的重视。尤其是近年来，随着能源和环境问题的日益突出，地源热泵的研究和应用发展迅速，国内外的很多高校和研究机构相继开展了理论和实际应用方面的研究。5室内空调冷（热）水泵及室外地埋管侧水泵均为两用一备。空调末端系统，餐厅采用卧柜式空气处理机，办公室采用风机盘管加新风全热回收机系统。QOP1）1Q1（11/C10638（11/507）12736KWQOP2）2Q2（11/C1097（11/452）8543KW则一个制冷季建筑向土壤排放的热量为QR12736051141033600337109KJ，小于QR730109KJ，表明经过一个制冷季该区域土壤温度升高小于1。一个供暖季建筑从土壤吸收的热量为QR8543051161293600323109KJ，小于QR730109KJ，表明经过一个供暖季该区域土壤温度升高小于1。计算结果显示经过一个制冷季与供暖季后，热泵向土壤所排放能量与从土壤吸收的热量大小基本相当。说明该项目地源热泵系统运行一个制冷季与一个供暖季后，地下热量基本保持平衡。因此该工程采用地源热泵系统形式，利用HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/E9B7E78002D276A200292E80HTML该地块的浅层地热能制冷和供暖是可行的。22221地下热交换器设计选择热交换器形式该工程绿化面积较大，场地空间丰富，所以采用U型管垂直并联的系统型式，地埋管可以布置在该工程绿地及部分道路下。222确定埋管管长地下热交换器长度的确定除了和系统布置形式及管材有关外，还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等。文献3介绍了一种计算方法共分9个步骤，很繁琐，并且部分数据不易获得。在实际工程中，可以利用管材“换热能力”来计算管长。换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量，一般垂直埋管为70W/M110W/M（井深），或35W/M55W/M（管长），水平埋管为20W/M40W/M（管长）左右，双U埋管换热量一般为单U埋管的12513倍4。计算埋管长度，取换热能力的下限值35W/M，通过公式LQ（35125）11000/127361000/（35125）291108M其中L双U埋管长度，M；Q夏季向土壤排放的热1量，KW。223确定竖井数目及间距国外竖井深度多数采用50M3100M，本工程竖井深度定为100M，2地源热泵系统21地源热泵系统可行性评价经北京市地质工程勘察院勘查得出的地源热泵系统地质调节评估报告表明，该地区0M100M土壤每变化1，可排放或吸收热9量约为QR73010KJ。依据采暖通风与空气调节设计规范，北京地区制冷天数为103天，供热天数为129天。由于为办公楼，夏季每天供冷约为14小时，冬季每天供暖16小时，热泵使用季节系数051（不同时间，系统运行负荷不同，只有很少的时间系统能达到满负荷运行。通常10的时间，负荷在90以上；30的时间，负荷在60以上；60的时间，负荷在40根据美国ARI标准和中国行业标准HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/E9B7E78002D276A200292E80HTMLJB/T432997）。可以由下述公式3和上述参数计算出一个制冷季或供暖季建筑物向土壤排放或吸收的热量QOP1）1Q1（11/CQOP2）2Q2（11/C放的热量，KW；Q夏季设计总冷负荷，KW；1Q冬季从土壤吸收的热2量，KW；Q冬季设计总热负荷，KW；2COP1设计工况下水源热泵机组的制冷系数；COP2设计工况下水源热泵机组的供热系数。根据公式（1）、（2）可得（1）（2）通过公式计算可得NL/（2H）291108/（2100）145个其中N竖井个数，个；L双U埋管长度，M；H竖井深度，M。根据地源热泵系统工程技术规范438条，竖井钻孔间距应满足换需求，间距宜为3M6M，根据本工程地形地貌以及管路水利平衡，确定钻孔间距为5M，布置6对供回水集管，每对集管对应28个150MM的孔，共计168个孔。224管径选取及水力计算在实际工程中确定管径必须满足两个要求3管道要大到足够保持最小输送功率；管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有20MM、25MM、32MM、40MM、50MM，管内流速控制在其中Q夏季向土壤排15122M/S以下，对更大管径的管道，管内流速控制在244M/S以下或一般把各管段压力损失控制在4MH/2O100M当量长度以下5。该工程根据这一原则从总地源侧分、集水器中分出6对DN100的供回水管，在经下一级的分、集管再分出7对DN50的供回水管，连接埋入竖井的DN32双U管。经测试，双U管中的流速能达到地源热泵系统工程技术规范（GB503662005）4HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/E9B7E78002D276A200292E80HTML39条的管道推荐流速双U形埋管不宜小于04M/S。选择地源侧管路中的最不利环路，计算其压力损失作为选取地源侧水泵扬程的依据。PZPWPN011301540267MPA其中PZ最不利环路总压力损失，MPA；PW最不利环路室外埋管压力损失，MPA；PN最不利环路室内管路压力损失（包括热泵机组的管路压力损失，以及热泵机组、阀门和其他设备元件的压力损失等），MPA。因此水泵扬程设计值为HPZ110267MPA110294MPA294MH2O225管道的承压管路最大压力应小于管材的承压能力。若不计竖井灌浆引起的静压抵消，管路所需承受的最大压力等于大气压力、重力作用静压和水泵扬程一半的总和5，即PPOGH05PH其中P管路最大压力，PA；PO建筑物所在的当地大气压，PA；地下埋管中流体密度，3KG/M；2005），规范对双U管道流速要求不宜低于04M/S，在设计过程中进行了多次试验，最终选取了管径DN32的PVC管道，不仅满足了规范对流速的要求，而且使管道阻力在一个合理的范围之内；室外水平管道的敷设深度要在当地冻土层以下，管道经过道路时应设保护套管。G当地重力加速度，M/S2；H地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差，M；PH水泵扬程，PA。该工程地源侧为闭式定压系统，采用自动补水定压罐为系统补水定压，定压罐定压值为025MPA。因此管道的承压为PPOGH05PH025100098100/106参考文献1张群力，王晋地源和地下水源热泵的研发现状及应用过程中的问题HTTP/WWWWENKUXIAZAICOM/DOC/E9B7E78002D276A200292E80HTML分析J流体机械，2003，31（5）50542颜爱斌地源热泵应用的技术分析与思考J天津城市建设学院学报，2002，8（2）1201223谢汝镛地源热泵系统的设计A殷平现代空调第三辑C北京中国建筑工业出版社，200133744肖益民等地源热泵空调系统的设计施工方法及应用实例A殷平现代空调第三辑C北京中国建筑工业出版社，2001881005徐伟等地源热泵工程技术指南M北京中国建筑工业出版社，2001，11（作者单位广西华蓝设计（集团）有限公司，广西南宁530011）0502951377MPA上式中的PO此时为定压罐定压值。226选择管材依据采暖通风与空气调节设计规范中，北京地区制冷天数为103天，供热天较多，应优先考虑使用价格较低的管材。地源热泵系统一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上；而PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。根据上述计算的管路最大压力为1377MPA，参考地源热泵系统工程技术规范附录A，选择承压能力为160MPA的聚乙烯（PE100）管材。3结束语设计过程中值得注意以下几点设计地源热泵首先要进行地源热泵系统