北京某別墅地源 熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

1、北京某別墅地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計北京市建筑設(shè)計研究院徐芬摘要介紹了北京某別墅建筑地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計, 提出了設(shè)計中應(yīng)注意的問題, 并對該建筑的運行情況進行了分析和總結(jié)。關(guān)鍵詞地埋管地源熱泵換熱器Gr o u n d 2s o ur c e h e a t p u m p a ir c o n diti o ni n gs yst e m d e si g n f or a vill a i n B e iji n gBy X u Abs t r a ct Prese nts t he heat air system design f or a villa in Beijing , p ut

2、s f orward t t design p rocess , and summarizes t he op eration condition.Keywor ds buried pipe , ground 2source heat p ump , heat excha nger Beijing Institute of Architectural Design , Beijing , China0引言地埋管地源熱泵系統(tǒng)由于具有性能系數(shù)高、節(jié)能效果好、利用可再生能源、環(huán)保效果好、系統(tǒng)簡單等優(yōu)點, 在歐美等地應(yīng)用較為廣泛, 但在我國尚處在起步階段, 目前只有較少的地理管地源熱泵機組成功運行。我

3、國地域遼闊, 蘊藏著豐富的淺層地?zé)崮苜Y源。因此有效利用淺層地?zé)崮? 以克服傳統(tǒng)熱泵空調(diào)技術(shù)中的局限與不足, 具有一定的現(xiàn)實意義。1工程概況北京某別墅位于北京市順義區(qū)潮白河畔, 環(huán)境優(yōu)美, 開發(fā)商原計劃采用小區(qū)燃氣鍋爐進行冬季集中供暖。但由于別墅平時利用率較低, 冬季實際有供暖需求的時間較短, 導(dǎo)致供暖收費問題突出, 燃氣鍋爐實際利用率很低, 因此, 決定改用地埋管地源熱泵系統(tǒng), 由用戶自行決定供暖時間。冬季無人居住時, 降低地源熱泵機組的出水溫度, 整套別墅內(nèi)維持值班供暖溫度即可。該小區(qū)共有80套別墅,5種戶型。筆者以其中某一種戶型為例進行設(shè)計與分析。該戶型建筑面積為321m 2, 共2層。1

4、層由起居室、餐廳、廚房、衛(wèi)生間、洗衣房、工人房組成,2層由主臥、書房、衛(wèi)生間、儲物間等組成。設(shè)計采用地埋管地源熱泵系統(tǒng), 冬季供暖, 夏季供冷。2設(shè)計參數(shù)及方案比較2. 1室外設(shè)計參數(shù)夏季空調(diào)室外計算干球溫度為33. 2; 夏季空調(diào)室外計算濕球溫度為26. 4; 冬季空調(diào)室外計算溫度為-12; 冬季供暖室外計算溫度為-9。2. 2室內(nèi)設(shè)計參數(shù)(見表1表1室內(nèi)設(shè)計參數(shù)房間功能干球溫度及相對濕度室內(nèi)A 聲級夏季冬季噪聲標準/dB 臥室、書房、起居室、客房干球溫度2426, 相對濕度55%干球溫度202240客廳、餐廳、廚房、走道干球溫度2527, 相對濕度60%干球溫度18204507設(shè)計參考暖通

5、空調(diào)HV &A C 2006年第36卷第12期徐芬, 女,1964年7月生, 大學(xué), 主任工程師100045北京市建筑設(shè)計研究院(010 88042283E 2mail :fen_x 收稿日期:200610 122. 3方案比較根據(jù)別墅類建筑的特點, 空調(diào)冷熱源方案一般有3種:水源熱泵集中供冷供暖; 螺桿式冷水機組+燃氣鍋爐集中供冷供暖; 地源熱泵分戶供冷供暖。在設(shè)計之初, 對這3種冷熱源系統(tǒng)方案進行了比較(見表2 。表2冷熱源系統(tǒng)方案比較方案1:水源熱泵集中方案2:螺桿式冷水機方案3:地源熱泵供冷供暖形式集中集中分戶初投資中少多機房土建無特殊要求, 投資居中鍋爐房有防火要求, 投資多

6、無特殊要求, 投資少打井水井費用低無地埋井、地埋管費用較高冷卻塔增加投資和運行管理項目消防審批需要審批管線施工冷水及連接管線, 復(fù)雜程度居中需增加燃氣管線, 最復(fù)雜管線很少, 最簡單施工周期中等長短運行費用中等高低運行管理需專人職守, 管理復(fù)雜需專人職守, 計量收費, 較困難,增加別墅賣點環(huán)保綠色, 集中空調(diào)環(huán)保綠色, 分戶空調(diào)從表2不難看出, 雖然地源熱泵分戶供冷供暖方案投資最多, 但在其他方面均有明顯優(yōu)勢, 能方便物業(yè)管理, 避免收費難題, 甚至可以采用客戶托管的形式來創(chuàng)收。同時, 提高了別墅的整體檔次, 增加了新賣點。3系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)別墅的結(jié)構(gòu)和功能的特點, 計算出該建筑夏季空調(diào)負荷為27

7、. 3kW , 冬季地板輻射供暖及空調(diào)負荷為32. 8kW 。地源熱泵系統(tǒng)由以下幾個方面組成:機房系統(tǒng)、地埋管系統(tǒng)、末端系統(tǒng)。其中末端系統(tǒng)采用地板輻射供暖加風(fēng)機盤管系統(tǒng), 夏季制冷時采用風(fēng)機盤管系統(tǒng), 冬季供暖時采用地板輻射供暖系統(tǒng), 新風(fēng)由門窗滲入。在初次供暖時或需要快速升溫時, 采用風(fēng)機盤管系統(tǒng)進行輔助供熱。本文將著重討論地源熱泵機房系統(tǒng)及地埋管系統(tǒng)。3. 1地源熱泵機房系統(tǒng)考慮到效率和噪聲問題, 地源熱泵機組采用渦旋式壓縮機組?？紤]到長期穩(wěn)定運行的工況條件, 壓縮機換熱器選擇套管式換熱器, 以防止使用板式換熱器時由系統(tǒng)中的焊渣或換熱器結(jié)垢所造成的堵塞現(xiàn)象。由于在地源熱泵冬夏季長期運行過程

8、中, 土壤溫度會有下降或上升的趨勢, 因此在設(shè)計時需考慮一定的設(shè)計裕量。機組參數(shù)須按照冬季供應(yīng)室內(nèi)的進/出水溫度為45/40, 而地下?lián)Q熱器的進/出水溫度為4/0; 夏季供應(yīng)室內(nèi)的進/出水溫度為7/12, 而地下?lián)Q熱器的進/出水溫度為25/30來確定。綜合以上幾點考慮, 最終選用1臺地源熱泵機組, 制冷量為32. 2kW , 輸入功率為7. 7kW ; 制熱量為38. 6kW , 輸入功率為9. 8kW 。選用1臺地下水源系統(tǒng)循環(huán)泵, 流量為6. 3m 3/h , 揚程為20m ; 另選用1臺空調(diào)末端循環(huán)水泵, 流量為6. 3m 3/h , 揚程為15m 。00機房平面布置如圖1所示 。圖1機

9、房平面布置3. 2地埋管換熱系統(tǒng)地埋管系統(tǒng)一直是地埋管地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)關(guān)鍵, 也是地埋管地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)難點。3. 2. 1地理管形式選擇地埋管換熱器一般有三種形式, 即豎直埋管、水平埋管和螺旋埋管。在確定換熱系統(tǒng)形式時, 現(xiàn)場可利用的地表面積是一個關(guān)鍵因素。根據(jù)國內(nèi)外實際工程和理論分析, 可以得到不同形式地埋管換熱系統(tǒng)單位換熱量所需的地表面積, 見表31。由表3可知, 在北方采用水平埋管, 每管溝四管或六管布置, 熱負荷為32. 8kW 時, 所需地表面積約1200m 2。一般在別墅規(guī)劃時, 每棟別墅總占地面積約為500600m 2, 建筑物占地面積約為17暖通空調(diào)HV &A C 2

10、006年第36卷第12期 設(shè)計參考表3地埋管換熱系統(tǒng)單位換熱量所需的地表面積m 2/kW 布置形式北方南方水平埋管每管溝雙管5392每管溝四管3763每管溝六管3763豎直埋管111300400m 2。因此, 如果別墅周圍沒有停車場、綠地等足夠大的公用區(qū)域, 水平式地埋管換熱系統(tǒng)的應(yīng)用將受到限制。由于受室外場地限制, 本別墅采用豎直式埋管方式, 此時所需的地表面積與管道豎直布置的深度有關(guān)。工程中采用的地埋管管井鉆孔孔徑為 150, 每個鉆孔深度約80m , 本別墅共鉆井7個, 單孔內(nèi)安裝雙U 形PE 管換熱器, 埋管總長度為2240m 。并且每個換熱孔內(nèi)的U 形管之間采用并聯(lián)同程連接方式, 流

11、體流過各埋管的流程相同, 聯(lián)方式, , 節(jié)約運行費用。量為34kW 。3. 2. 2地埋管傳熱模型的建立2地埋管換熱器換熱是一個非穩(wěn)態(tài)過程, 建模時的假設(shè)條件為:以純導(dǎo)熱方式進行傳熱; 土壤與埋管之間緊密連接; 土壤可視為無限大均勻介質(zhì); 無地下水流動換熱; 埋管之間無熱干擾。井壁與周圍土壤的傳熱公式為t g =t w -t g =( s L(1式中t w 為管井井壁溫度, ; t g 為土壤的原始溫度, ; q 為傳熱量,W ; G (Fo, p 為分析解, Fo 為傅里葉數(shù), p 為計算點到管井中心的距離與管井半徑的比值; s 為土壤導(dǎo)熱系數(shù), W/(m ; L 為管井深度,m 。埋管井壁

12、與管內(nèi)流體的傳熱公式為t f =t w -t f =q R b L(2式中t f 為管內(nèi)流體溫度, ; R b 為埋管內(nèi)流體至埋管井壁的傳熱熱阻,m /W 。根據(jù)式(1 , (2 進行模擬計算。同時采用德國地源熱泵設(shè)計軟件EED 進行設(shè)計校核, 對地下側(cè)土壤溫度變化情況進行模擬計算, 模擬出地下土壤50a 的溫度變化情況(見圖2 。地下埋管采用抗高壓的高密度聚乙烯 管圖250a 內(nèi)地下溫度場變化(HDPE100 , 其原材料為進口材料, 技術(shù)參數(shù)為:管外徑32mm 、管壁厚、承壓能力1. 25, -(m , 導(dǎo)熱系(在PE 管入換熱孔之前, 在PE 管之間安裝專用支架, 分隔管材, 使PE 管

13、之間具有一定的距離, 且盡可能緊靠換熱孔的孔壁, 加強換熱管與地層的換熱效果, 減小PE 管之間的換熱干擾。同時選用加重管底接頭, 保持管材入孔時的垂度。通過該種方法可以確保地下?lián)Q熱管的有效換熱量。地埋管設(shè)置在各個管井中, 在換熱盤管與鉆孔間填充填料。填料固化后相當(dāng)于換熱盤管的肋片, 起到加強換熱盤管與土壤換熱的作用。循環(huán)液在完全封閉的地下管路中流動, 通過換熱盤管表面與地下土壤進行換熱。地埋管管井的封井深度在地面2m 以下。各孔至機房的連接管路埋入2m 深的地下, 不影響地表面的硬化和綠化。在冬季, 該別墅的室溫基本保持在18以上, 圖3為該別墅地源熱泵系統(tǒng)某一周的運行數(shù)據(jù)(每間隔5min

14、記錄一次數(shù)據(jù) , 可以看出, 在滿足室內(nèi)溫度條件下, 地下供回水溫度可維持在-22, 平均溫度為0, 由此可推斷地下溫度場基本維持在5左右。由圖3還可以看出, 當(dāng)熱泵主機停止運行后, 地下溫度場也隨之相應(yīng)地變化, 溫度迅速開始回升, 地下供水溫度回升至8, 可近似推斷地下溫度場回升到13左右。由于別墅夏季運行過程中使用時間不固定, 因此無法正確統(tǒng)計空調(diào)運行與地源側(cè)的溫度變化。27設(shè)計參考暖通空調(diào)HV &A C 2006年第36卷第12期 圖3地源熱泵系統(tǒng)溫度變化4地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于別墅時應(yīng)注意的問題4. 1負荷的確定對于別墅類建筑, 其負荷具有一定的特點, 首先, 由于別墅主人往

15、往將其作為第二居所, 可能長, 使用時, 的是, , 按照連續(xù)使用的情況設(shè)計的, 當(dāng)負荷較大時, 由于長時間的運行, 地下溫度場難以迅速地恢復(fù), 因而導(dǎo)致地下溫度場急劇變化, 在熱泵蒸發(fā)溫度較低的情況下, 會使得機組低壓保護, 無法正常運行。要解決這一問題, 就要考慮適當(dāng)放大建筑物的負荷設(shè)計量, 在設(shè)計過程中, 熱泵機組、地下?lián)Q熱系統(tǒng)的容量都要大于實際計算的負荷, 經(jīng)驗得出:設(shè)計負荷應(yīng)大于實際計算負荷的1. 52倍。4. 2功能的設(shè)定在別墅中使用的地源熱泵系統(tǒng), 有人往往建議用戶一機多用, 即除了正常的制冷與供暖外, 還把生活熱水的制取作為地源熱泵的一項功能。雖然從理論上是可行的, 但由于又增

16、設(shè)了一套系統(tǒng), 導(dǎo)致系統(tǒng)更加復(fù)雜, 同時由于別墅中生活熱水的用量并不大, 所以增加此項功能的經(jīng)濟性值得商榷。在此, 筆者建議對于生活熱水可采用電熱水器或燃氣熱水器在用水點處就近解決。4. 3系統(tǒng)的調(diào)試在實踐中筆者發(fā)現(xiàn), 別墅的初始調(diào)試比較困難, 尤其是在竣工后馬上進入冬季的別墅工程。原因在于建筑體內(nèi)部積蓄了大量濕負荷, 在短時間內(nèi)由地源熱泵系統(tǒng)將室內(nèi)溫度提高到設(shè)計值是非常困難的, 而這種現(xiàn)象對于在深冬季節(jié)進行初始調(diào)試的別墅更為明顯。相反, 經(jīng)過了一個夏季的運行后, 再進入冬季調(diào)試, 系統(tǒng)將較容易達到使用要求。對于上述在冬季運行調(diào)試中出現(xiàn)的問題, 可以考慮利用其他加熱方式將室內(nèi)溫度提高到一定程度

17、后, 再利用地源熱泵系統(tǒng)維持室內(nèi)的空氣參數(shù)。4. 4系統(tǒng)的運行在運行過程中, 地源熱泵夏季的工況比較容易保證, 冬季由于運行時間較長, 因此需要注意的問題較多。首先, 應(yīng)避免在長時間不開機的情況下, 單靠地源熱泵系統(tǒng)來將室內(nèi)溫度迅速提升或降低, 這樣會導(dǎo)致地下?lián)Q熱系統(tǒng)的負擔(dān)太大, 從而無法有效地換熱, 。, , 5以上, 防止室內(nèi)水管等被凍裂。同時, 為保證經(jīng)濟運行且操作簡便, 通常冬季可將機組的回水溫度設(shè)置在40, 夏季可將機組的回水溫度設(shè)置在15, 此時, 機組的運行效率較高。參考文獻1美國制冷空調(diào)工程師協(xié)會. 地源熱泵工程技術(shù)指南M .徐偉, 等, 譯. 郎四維, 校. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,20012程群英, 羅明智, 孫純武, 等. 地?zé)釤岜孟募拘阅軠y試及傳熱模型J.暖通空調(diào),2005,35(3 :26簡訊06K301-2空調(diào)系統(tǒng)熱回收裝置選用與安裝圖集圖集編制了五種熱回收裝置(轉(zhuǎn)輪式、板式、熱管式、中間熱媒式、溶液吸收式 及制冷機冷凝熱回收系統(tǒng)的原理、組成、特點、設(shè)計原則、技術(shù)參數(shù)、相關(guān)