北京某會所地源熱泵系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計

1、9()建筑熱能通風(fēng)空調(diào)2012 年Vol.3I No.2Apr. 2012.89-91文章編號:1003-0344( 2012)02-89.4北京某會所地源熱泵系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計趙冀-北京興隆置業(yè)有限公司摘要:北京某會.聽5000m采用地源熱泵系統(tǒng)。本文通過全年負荷模擬片算和地下溫度場數(shù)值模擬分析兩種途 徑，結(jié)介部分工程的熱泵機組和輸配系統(tǒng)的實際運行效能，優(yōu)化方案設(shè)計并校核設(shè)備選型,提高地源熱泵系統(tǒng)的 安全可靠性，從而達到不進行其他模式冷源或熱源備份的目的。關(guān)鍵詞:土壤源熱泵地埋管地F熱平衡熱堆積效應(yīng)Design Optimization of Ground Source Heat Pump S

2、ystem for one ClubBuildingZHAO JiBeijing Xinglong Estate Co., Ltd.Abstract: This club building is five thousand meters and equipped with ground source heat pump system (GSHP). In order to reduce initial equipment investment and guarantee the energy efficiency, this article proposed whole year energy

3、 simulation and the annual consumption was analyzed Ground source heat accumulation effect was accurately predicted with the help of simulation toolkits FLUENT. The investigation of real GSHP projects * perfbnnance data was carried out to low down the risk ofsystem.Keywords: Ground Source Heat Pump

4、(GSHP), underground vertical U*tube closed-loop, thermal status stabilization, ground source heat accumulation effect9()建筑熱能通風(fēng)空調(diào)2012 年9()建筑熱能通風(fēng)空調(diào)2012 年收稿日期:2011-9-23作者簡介:趙英（1967J女大專，工程師;北京市東城區(qū)崇外大街9號正仁大廈十二層北京興隆置業(yè)有限公司（100062）;01067092354；E-mail: zhaoji_2001項目為位于北京市枯平區(qū)的一棟5000m2的會 所,包括地層為游泳池、健身中心及設(shè)備用房，地

5、 上二層商業(yè)、物業(yè)及社區(qū)管理用房等。系統(tǒng)設(shè)計選用 地源熱泵方案，地勘資料表明地下是高角度張性斷 裂,具有導(dǎo)熱導(dǎo)水作用.該斷裂帶寬,切割深度大, 程所在場地區(qū)域內(nèi)一條輩要的導(dǎo)熱通道°項口所在區(qū) 域存在較大的地下水流動，單井涌水量-般ff. 1500- 3000m7d左右，地源熱泵系統(tǒng)主要埋深范圍內(nèi)冇二個 主要含水層組，每個含水層組有13個含水層。1負荷計算根據(jù)建筑的圍護結(jié)構(gòu)熱工性能和會所的使用習(xí) 慣，按照間歇空調(diào)模式，新風(fēng)采用熱回收機組，冷負荷 計算結(jié)果如下表所示。表1冷負荷計算結(jié)果SOIfJI2SS.OO$7.40表2熱負荷計算結(jié)果<kW>'S0I1712口 23

6、I 冊 CDSS M37 06供暖負荷汁算連續(xù)供暖與間歇供暖的兩種模式 下的數(shù)值，間歇模式是為了考慮業(yè)主突然氏時間外岀, 返回到會所時的機組容以，空調(diào)熱負荷計算結(jié)果如表2所示。圖1為該建筑極熱H工況一的冷負荷在一天24 小時內(nèi)的變化情況，由圖可以看出，蜂值出現(xiàn)在下午 三點，達到288.00kWo建筑的全年冷熱負荷模擬結(jié)果 如下圖2所示.年冷鈕需求為193905.00kWh0圖3為 該建筑連續(xù)空調(diào)熱負荷在該氣象條件下24小時的變 化情況，由圖可以看出，峰值同樣岀現(xiàn)在7時。建筑物 的全年熱負荷結(jié)果按照連續(xù)空調(diào)整理。模擬結(jié)果如圖 4所示，新風(fēng)熱回收工況時的年空調(diào)熱負荷為 226255.42kWh；,

7、圖1極熱日逐時冷負荷圖2逐時冷負荷10%20%的安全系數(shù),確定打孔數(shù)為63個叫熱泵機組的選型考慮土壤熱平衡進行如下三方 面優(yōu)化：1）依據(jù)地勘測試報告:會所所在地夏季土壤未擾 動溫度為16.3-C 冬季土壤未擾動溫度為15t,地F 換熱孔夏季和冬季的換熱測試結(jié)果為62W/m和 44W/m,冬夏換熱強度為1.4:lo2）會所從土壤的換熱量夏季取冷址與冬季取熱呈 為2.07:1,夏季與冬季運行時間1:1.41,即夏季與土壤 的平均換熱強度是冬季與土壤平均換熱強度的2.9 倍°3）提高夏季與土壤換熱的溫差，通過迭代計算，推 薦夏季地源側(cè)供回水溫度32/28-C .與土壤的溫差 13.7-C，

8、冬季的地源側(cè)供回水溫度4/8-C 與土壤的換 熱溫差9.1to地下側(cè)水泵流量計算則進行如下優(yōu)化：1）從熱泵安全角度而言，為了防止氣堵現(xiàn)象水流 流速不低T04m/s;2）地下側(cè)水流不同，系統(tǒng)與土壤的換熱強度也不 同，一般不應(yīng)超過0.8m/s,超過0.8m/s以后其換熱效 果增加幅度明顯變小。3）結(jié)合地下?lián)Q熱模擬分析結(jié)果迭代計算夏季地 下側(cè)水泵流吐，地下?lián)Q熱流扯為75m3/h,冬季為60 mVh,通過變頻或者閥門調(diào)節(jié)，改變水泵流帰。依照優(yōu)化結(jié)論熱泵機房內(nèi)主要設(shè)備選型見F表。9()建筑熱能通風(fēng)空調(diào)2012 年"""打*#2打"/打"圖3連續(xù)空調(diào)極冷日

9、熱負荷（新風(fēng)熱回收工況）表3新風(fēng)熱回收工況時的地源熱泵/Ml*枚0M穢HI 沁*'02rw則sow加i5WK.WHWl.啊 3加2水y可Q休乃nMiEh空畑DEM29()建筑熱能通風(fēng)空調(diào)2012 年圖4連續(xù)空調(diào)逐時熱負荷（新風(fēng)熱回收工況）2 室外埋管設(shè)計與熱泵系統(tǒng)設(shè)備選型參照地溫勘查評價報告數(shù)據(jù)和前期測試結(jié)果，確 定室外打孔間距為5.5m,有效埋管孔深120m,采用雙 U系統(tǒng)，埋管管徑32mm，計算室外打孔數(shù)目，考慮3全年運行能耗及地下熱平衡校驗以全年負荷模擬數(shù)據(jù)為依據(jù)進行地F熱平衡校 核。為了降低冬夏不平衡的差異，采用兩種方法優(yōu)化 方案3）：1）對新風(fēng)進行熱冋收處理,降低系統(tǒng)對地F

10、土壤 冷熱需求的絕對值；2）采用實際系統(tǒng)運行效率計算夏季地下蓄熱與冬 季地下養(yǎng)冷，以同類丁程實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，包括循環(huán)水 泵散熱址彫響。丁程實踐表明，土壤源熱泵系統(tǒng)實際 運行效率僅為額定效率的50%左右實際運行過程從 94 建筑熱能通風(fēng)空調(diào)2012 年土壤中提取的冷熱雖超出預(yù)期的一倍。圖7冬于換熱溫度模擬曲線供熱期：11月1日至次年3月31日供冷期：6月 1日9月15日，對新風(fēng)進行熱回收處理工況F,會所 全年累計供冷量為689.06GJ,供冷指標(biāo)為137.30 MJ/m2,累計供熱就為814.52GJ,供熱指標(biāo)為 153.37MJ/m2o地源熱泵機組與土壤的換熱量取決T 會所建筑本身的冷熱試需求

11、以及機組設(shè)備性能，后者 包括熱泵主機效率、埋管側(cè)水泵的電功耗、部分負荷 率機組的性能下隆、常年運行機組設(shè)備性能F降等因 素，if算結(jié)果為夏季累計取冷量91&75GJ,冬季累計 取熱蚩488.71GJ。4利用數(shù)值模擬校核系統(tǒng)選型與地下熱堆 積效應(yīng) 94 建筑熱能通風(fēng)空調(diào)2012 年 94 建筑熱能通風(fēng)空調(diào)2012 年地勘熱響應(yīng)測試獲得的土壤溫度作為CFD計算 模型的初始輸人條件T,夏季土壤的初始溫度為 16.12-C,冬季土壤初始溫度為15V?。將整個夏季空 調(diào)制冷季節(jié)和冬李采暖供熱季節(jié)逐時負荷輸入模型, 優(yōu)化地下側(cè)進水溫度，算出夏季土壤溫度不斷升高過 程中累計取冷雖，以及冬季土壤溫度不

12、斷降低過程中 累計取熱量。模擬結(jié)果如圖5圖8所示.夏季土壤溫 度在計算了 300小時后趨于穩(wěn)定，土壤溫度為30'C , 冬季土壤溫度在il算了 350小時候趙丁穩(wěn)定，土壞溫 度為69。窮圖5夏季換熱溫度模擬曲線（匕）圖8冬季換熱孔周邊土壤溫度通過多種工況的校核，夏季地下?lián)Q熱側(cè)溫度建議 取28°C32C，管內(nèi)流速0.45m/s,流址為150m3/h，換 熱孔的換熱量為7087W,平均到120m后，換熱鍛為 59W/m0冬季世下側(cè)換熱溫度建議取4-C-8-C，管內(nèi)流 速0.35m/s,流雖為120m3/h,換熱孔的換熱量為 4709W,平均到120m后，換熱駁為39W/m0此數(shù)據(jù)

13、作 為熱泵機組和地下側(cè)水泵的選型依據(jù)?？紤]有地F水流狀況的熱堆積效應(yīng)，北京地區(qū)的 地下水流一般為1550m/y，倘若水流速度達到年 50m,地下溫度場口平衡能力很強,不倚要進行熱堆積 效應(yīng)實驗。選拯15m悄況進行土壤熱堆積效應(yīng)模擬計 算，結(jié)果表明35年后七壤溫度即可形成動態(tài)穩(wěn)定, 土壤平均溫升為0.3C , 土壤溫升對地源熱泵地下?lián)Q熱 器構(gòu)成的影響較小,不會對系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。圖6夏季換熱孔周邊溫度本文是某會所地源熱泵系統(tǒng)方案優(yōu)化，在熱泵設(shè) 備選型中參照數(shù)值模擬分析，考慮土壤傳熱對換熱效 果的影響;提出利用實際運行效率校核土壤熱平衡，并 利用CFD模型進行熱堆積校驗，完成如下三方工作：1）會所

14、建筑全年逐時負荷詳細計算。2）確定地埋換熱孔的數(shù)址、范圍布1S。根據(jù)地質(zhì) 熱物性勘察分析報皆以及周邊環(huán)境，合理布局地源 熱泵系統(tǒng)室外地埋換熱孔。并對埋深和數(shù)址做必要的 分析。（下轉(zhuǎn)94頁）5結(jié)論毎初股資+(運行費金滬費”琲金、貝瓦=麗冷+檢禺竺話瑋水船毀戶殛(1)如表4所示,水冷機組與電熱水器的方案的壽命 周期內(nèi)費效比為1266.4 jc/GJ,風(fēng)冷熱泵為1417.1元/ GJ,在滿足相同的服務(wù)質(zhì)量下，每提供一份能鼠后者 比前者多投人12%。風(fēng)冷機組方案每年的綜合投入為 211萬元水冷機組方案每年的綜合投入為189萬元, 后者節(jié)省22萬元。建筑壽命內(nèi)風(fēng)冷機組方案總投入 為10562萬元，水冷機

15、組方案總投入為9439萬元，后 者節(jié)約1123萬元。表4兩種方案綜合費效比界冷於H貳。凰電蚪冰B中央PS筠JRtl立熱水祈 12條43?.3*»8M6 2*4K更妙*)2S15(GJ>10941(4制汛®*(oj>(25*)!0?7*IU卑命展韻內(nèi)N行竇(力元4056 2(2S>2474.S(I5<F)與*繃“內(nèi)0用(萬尢、<15*>4效比(XXJ)1266 4MI7.I4.2綜合運行效果比較對風(fēng)冷和水冷中央空調(diào)兩種方案進行分析，在實 際運行過程中兩種方案均存在運行不當(dāng)?shù)膯栴}。相對 而育，可以得出如下結(jié)論：丨)表面看上，風(fēng)冷機組集成度高，

16、系統(tǒng)簡單，水冷 冷水機組運行維護比風(fēng)冷熱泵復(fù)雜。而冃前物業(yè)管理 人員水平一般對于自控集成度較高的風(fēng)冷機組，不 懂得或者“不敢”去操作優(yōu)化，平時僅啟停機組,遇到問 題便需要廠家來解決，反而帶來了運行保養(yǎng)費用的升 高。而水冷機組集成度低，物業(yè)管理人員可以根據(jù)天 氣狀況控制冷卻塔開啟臺數(shù)，根據(jù)濕度調(diào)節(jié)冷機冷水 出口水溫，這些自發(fā)的簡單的操作，便町以實現(xiàn)了顯 若的節(jié)能效益(卅。2) 水冷冷水機組實際運行性能比風(fēng)冷熱泵高，從 實測效果來看，風(fēng)冷機組的實際運行性能衰減較快, 同一個項冃同一時段測試發(fā)現(xiàn)水冷機組實際制冷效 率是風(fēng)冷機組的2倍；上海某辦公樓在節(jié)能改造過程 中,將部分風(fēng)冷機組更換為水冷機組。3)

17、 從氣候持征來看,風(fēng)冷機組更適合在南方地區(qū) 來用，夏李炎熱潮濕的時段較長，而北方尤其是北京 地區(qū),夏季“桑拿天”延續(xù)時間短，夏季大部分時間處于 溫度校高、但是空氣較為干燥的狀況，更適合水冷冷 水機組的節(jié)能運行。4) 從項目規(guī)模來看,風(fēng)冷機組適合小規(guī)模項目,風(fēng) 冷機組發(fā)展初期多以模塊渦旋機組為主,噪音低近年 來出現(xiàn)容蛀較大的螺桿風(fēng)冷熱泵機組,應(yīng)用在中等規(guī) 模的項目上，額定制冷效率為3左右。水冷螺桿式機組 與離心式冷機發(fā)展趨于成熟，很難找到效率更高的替 代品，制冷效率至少在4.1以上。5) 從適用范圍來看，風(fēng)冷機組更適合在改造項H 中采用，沒有多余的機房空間、安裝空間以及吊裝孔等 來安置水冷機組，

18、從而選用風(fēng)冷機組放在屋頂上。6) 由于風(fēng)冷熱泵與水冷冷水機組均是中央空調(diào)的 冷源，英輸配系統(tǒng)(冷凍水泵)和室內(nèi)末端(風(fēng)機盤管和 新風(fēng)機組)的調(diào)節(jié)方式相同，對建筑使用者而言不存 在舒適度的基異，換而言之，兩種系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)雖相同。參考文獻11薛志峰大世公共建筑節(jié)能研究D.北京:清華大學(xué),2005 (21薛志峰，江億北京市大型公共建筑用能現(xiàn)狀與節(jié)能潛力分析J.曖通空調(diào),2004,34(9): 8-103 金破樓宇設(shè)備設(shè)施觀范化管理方法研究D.北京:涓華大學(xué), 20064 利云飛空氣源熱泵型空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計及工程實例分析卩制冷, 2003, (3): 47-505 韓星，馬克華,億怡平，等采用空氣源熱泵的辦公建筑空調(diào)系統(tǒng) 運行檢詼和節(jié)能分析卩.曖通空調(diào),2010,(6)： 157-164(上接91如3) 地下熱平衡分析。根據(jù)會所運營的負荷、時間 等特性，計算分析地埋換熱孔的地下土壤熱平衡問 題，包括單個地埋換熱孔、單列地埋換熱孔的歷年土壤 熱堆積效應(yīng)計算分析。通過上述優(yōu)化分析，本項目經(jīng)35年后土壤溫度 即可