某办公楼地源热泵空调系统设计与总结

1、中图分类号:TU83文献标识码:B文章编号:1006-8449(200706-0057-030引言实施可持续发展能源战略已成为我国新时期能源发展的基本方针,可再生能源在建筑中的应用是建筑节能工作的重要组成部分。地源热泵系统作为可再生能源应用的主要途径之一,近年来在国内得到了日益广泛的应用,地源热泵系统工程技术规范(以下简称规范也已颁布,并于2006-01-01日起实施。地源热泵系统利用浅层地热能资源进行供热与供冷,具有显著的节能与环境效益。但由于地源热泵系统的特殊性,其设计方法是业内人士普遍关注的问题。本文以实际工程为例,介绍某办公楼地源热泵空调系统的设计。设计人员根据清华大学的DeST模拟运

2、算软件,对建筑进行空调全年逐时动态负荷模拟计算,并综合考虑各种影响因素,从而确定了空调系统的设计方案,以及解决土壤热平衡的方法与措施。1工程概况及室内外参数本工程由办公楼(主楼、民政楼和员工食堂组成,空调面积共32000m2,采用地源热泵空调系统。室内、外设计参数见表1、表2。2空调系统2.1冷热源选择计算利用可再生地热能作为热泵系统的土壤耦合热泵系统,被称为是21世纪的一项以节能和环保为特征的最具有发展前途的绿色空调技术。本工程采用地源热泵作为空调主要冷热源。主楼冷负荷2974kW,热负荷2080kW;民政楼冷负荷570kW,热负荷399kW;员工食堂冷负荷872kW,热负荷610kW。因食

3、堂使用时间与主楼、民政楼办公时间基本错开,故空调冷热源按主楼及民政楼总冷热负荷选型。总冷负荷:3544kW;总热负荷:2479kW。某办公楼地源热泵空调系统设计与总结李国栋,朱宇亮,李力群(上海浚源建筑设计事务所,上海200001摘要:在上海及其周边地区,建筑物夏季空调冷负荷大于冬季热负荷,地源热泵埋管的区域存在热积累,出现严重的冷热负荷失衡,导致土壤温度逐年升高,影响系统长期运行效能。采用辅助冷却复合地源热泵系统,能很好地解决土壤热平衡问题,同时也可有效降低系统(地下埋管投资,提高系统的运行节能效果。夏季普通冷负荷时,完全依靠地源热泵供冷;夏季冷负荷较大时,即空调主机冷凝出水温度达到37时启

4、用辅助冷却装置,使辅助冷却装置和地源热泵机组联合运行。关键词:地源热泵;土壤热平衡;辅助冷却;经济性分析表1室外设计参数表2室内设计参数夏季空调室外设计干球温度夏季空调室外设计湿球温度3328.6冬季空调室外设计干球温度冬季空调室外设计相对湿度-576%房间名称办公室会议室大堂多功能厅阅览室餐厅夏季温度,252527262524相对湿度,%506050605560556050605565冬季温度,212118202120相对湿度,%404040404040选用3台意大利克莱门特螺杆式水源热泵机组,单台制冷量1170kW ,输入功率228.5kW ;单台制热量1256kW ,输入功率276kW

5、。2.2地源热泵土壤换热器计算地下土壤作为空调系统的冷热源,其作用相当于换热器,空调系统从土壤中取冷、取热。最大取冷量、取热量确定1。如式1、式2:Q f =Q C 1+1COP !(1Q q =Q H 1-1COP h!(2式中Q f 土壤换热器最大取冷量,kW ;Q q 土壤换热器最大取热量,kW ;Q C 主机制冷量,1170kW ;Q H 主机制热量,1256kW ;COP 夏季循环性能系数,取5.10;COP h 热泵冬季制热系数,取4.55。土壤换热器宜埋在建筑物室外广场绿化带下,因建筑物室外埋管区域有限。为降低埋管初投资费用,且有利于地下土壤热平衡,埋管长度按冬季热负荷计算。根据

6、地埋管换热器传热性能实验研究报告,本工程采用单U 管土壤换热器,夏季土壤换热器每1m 井散热量按60W ,冬季每1m 井取热量按40W 设计。埋管长度按下式计算:2479(1-1/4.55=1934(kW 1934000/40=48354(m 单口井深90m ,共需井:48354/90=537(口根据现场场地情况,按5m 5m 间距埋设90m 深单U 型井553口,基本满足设计要求。2.3空调系统本工程冬季热源全部由土壤换热器提供,为保证土壤热平衡,土壤换热器按照冬季负荷设计,夏季不足部分由辅助冷却塔提供。选用3台意大利克莱门特螺杆式水源热泵机组。土壤换热器夏季向主机提供30/35的冷却水,冬

7、季提供10/6的热源水;夏季提供空调系统冷量为2450kW ,冬季提供热量为2551kW ;夏季不足部分设置一台300t 冷却塔通过板式换热器间接辅助冷却,系统原理见图1。冷却塔运行策略:(1系统运行时,冬季及夏季负荷较小时采用地埋管就可满足空调需要,夏季负荷很大时,主机冷凝器出水温度达到37时开启冷却塔,地埋管与冷却塔并联联合运行。达到确保使用效果和节能的目的,同时启动冷却塔有利于解决地下土壤换热平衡问题。(2在系统运行的间歇,可以利用冷却塔降低埋管周围的土壤温度。即7、8、9三个月在夜间(该季节夜间电价为低谷电价机组停止运行的时候,可以使冷却塔和地下埋管换热器在无负荷状况下串联运行,利用冷

8、却塔将埋管周围温度较高的土壤蓄积的热量排走,对埋管周围的土壤进行降温。3空调全年动态逐时负荷计算分析采用DeST 模拟运算软件,对建筑进行空调全年逐时动态负荷模拟计算。夏季空调负荷计算按照系统运行时间为150d 计算。本工程建筑的功能主要是办公及食堂,空调系统采用间歇运行的方式,办公室空调从8:0018:00,每天运行10h ,食堂从11:0014:00,17:0021:00,运行7h 。冬季空调负荷计算按照系统运图1地源热泵空调水系统原理图注:夏季运行时,V1、V3、V5、V7阀门打开,V2、V4、V6、V8、V9阀门关闭。冬季运行时,V2、V4、V6、V8阀门打开,V1、V3、V5、V7、

9、V9阀门关闭。夏季夜间时,V9阀门打开,V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8阀门关闭,冷却塔单独运行。图2建筑全年负荷曲线t /hQ /k W冷却塔三通调节阀板换分水器共15组集分水器共14组共14组集水器地源热泵机组地源热泵机组地源热泵机组自来水膨胀水箱接至大楼空调系统由大楼空调系统接来高位膨胀水箱自来水V7V5V4V2V3V1V8V6V9热负荷热负荷冷负荷5000.004000.003000.002000.001000.000.00-1000.00110202039305840775096611571348153行时间为100d计算,办公、食堂每天空调运行时间与夏季相同。利用软件

10、对建筑的全年累计供冷量、累计供热量进行计算与分析。负荷累计计算结果见图2。通过全年空调逐时负荷计算,夏季累计总负荷为3185740kWh,冬季760248kWh,冷负荷远大于热负荷,即使采用一台300t冷却塔辅助调节负荷,也仅能负担夏季冷负荷的1/3,全年土壤仍有1363578kWh 的负荷余量得不到解决,导致土壤温度逐年升高。为此,再增加一台300t冷却塔并联运行,同时考虑过渡季节地下土壤散热及地下水的流动带走一些热量,基本达到全年土壤热平衡,符合规范要求。4冷却塔辅助供冷的经济分析经上述论证,地源热泵空调系统土壤热平衡问题有2种解决方案。1单台冷却塔通过板式换热器间接辅助冷却,地埋管与冷却

11、塔并联联合运行。夏季7、8、9三个月夜间,使冷却塔和地下埋管换热器在无负荷状况下串联运行,利用低谷电价将埋管周围温度较高的土壤蓄积的热量排走,对埋管周围的土壤进行降温;22台冷却塔通过板式换热器间接辅助冷却,地埋管与冷却塔并联联合运行,使系统冬夏季从土壤中取得的冷热量基本相等。下面比较两种方案的经济性,见表3和表4。通过经济技术比较发现,初投资及运行费用均为运行1台冷却塔时低,设计中确定采用一台冷却塔。5结语(1在华东地区,建筑物夏季空调累计冷负荷远大于冬季热负荷,地源热泵埋管区域存在热积累,出现严重的冷热负荷失衡,导致土壤温度逐年升高,影响系统长期运行效果。因此,解决土壤热平衡成为地源热泵系

12、统能否长期高效运行的技术关键。(2采用辅助冷却复合地源热泵系统,能很好的解决土壤热平衡问题,同时也可有效降低系统投资,提高系统的运行节能效果。(3冷却塔的数量及运行策略影响热泵系统的经济性,应通过经济技术比较确定。参考文献:1美国制冷空调工程师协会.地源热泵工程技术指南M.徐伟,等(译.郎四维(校.北京:中国建筑工业出版社,2001.收稿日期:2007-04-03修回日期:2007-07-05表3初投资情况表4运行费用情况注:11台冷却塔按夏季运行90d,白天10h,夜间7h;2台冷却塔按夏季运行90d,白天10h,夜间不运行;2办公用电白天按0.90元/kWh计算,夜间按0.24元/kWh计算。1台冷却塔(300t系统冷却塔(电功率15kW1台10万元冷却水泵2台(电功率30