上海某高級(jí)別墅土壤熱源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果分析

1、上海某高級(jí)別墅土壤熱源熱泵系統(tǒng)節(jié)能效果分析作者：徐琳 張旭時(shí)間：2007-11-24 15:00:00 摘要： 本文介紹了上海某高級(jí)別墅土壤熱源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體情況。采用BIN法分別計(jì)算別墅全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷分布及土壤熱源熱泵系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗。以風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)為參考，對(duì)土壤熱源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能效果做出綜合評(píng)價(jià)。 關(guān)鍵詞： 高級(jí)別墅 土壤熱源熱泵系統(tǒng) 風(fēng)冷熱泵系統(tǒng) 節(jié)能效果 1 引言隨著人民生活水平的提高和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，人們對(duì)居住環(huán)境舒適度和能耗要求越來越高。而如今自然資源的過度耗費(fèi)，自然環(huán)境的嚴(yán)重污染，迫使人類不得不對(duì)自己所走過的道路進(jìn)行反思。1992年聯(lián)合國(guó)環(huán)境與發(fā)展大會(huì)制定并通過了21世紀(jì)議程

2、，明確指出：節(jié)能、環(huán)保是人類可持續(xù)發(fā)展的兩大主題。土壤熱源熱泵系統(tǒng)（GSHP）以其節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的突出優(yōu)點(diǎn)，成為空調(diào)供暖工程優(yōu)先選擇的方案之一。2 GSHP系統(tǒng)的基本原理它以大地作為熱源（熱匯），冬季將大地中的低位熱能取出提高，對(duì)建筑供暖，同時(shí)儲(chǔ)存冷量以備夏天使用；夏季將建筑內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下對(duì)建筑進(jìn)行降溫，同時(shí)蓄存熱量以備冬天使用。夏熱冬冷的長(zhǎng)江三角洲地區(qū)制冷與供暖的天數(shù)大致相當(dāng)，冷熱負(fù)荷基本相同。利用該技術(shù)可以充分發(fā)揮土壤的蓄熱作用，達(dá)到環(huán)保節(jié)能的雙重功效。3 某高級(jí)別墅GSHP系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 建筑概況該高級(jí)別墅群依托佘山國(guó)家旅游度假區(qū)，山體、森林、水系和綠化面積高達(dá)62%，自然資

3、源優(yōu)勢(shì)突出。以某幢兩層獨(dú)立式別墅為例，建筑面積為950m2，功能分區(qū)明確，房間眾多包括臥房、客房、起居室、餐廳、門廳等，地下一層設(shè)有娛樂、酒吧間、健身房、酒窖等。3.2 土壤地質(zhì)狀況地質(zhì)鉆探表明：佘山地區(qū)的淺層土壤是以粘土、砂粉土為主的軟土，土壤比較潮濕，地下水位較高，較適合GSHP系統(tǒng)的應(yīng)用。3.3 室外設(shè)計(jì)參數(shù)1夏季：室外干球溫度為34，濕球溫度為28.2，日平均溫度為30.4，大氣壓力為100530Pa，風(fēng)速為3.2m/s。冬季：室外空調(diào)溫度為-4，相對(duì)濕度為75，大氣壓力102510Pa，風(fēng)速為3.1m/s。表1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù) 房間用途夏季設(shè)計(jì)溫度冬季設(shè)計(jì)溫度夏季相對(duì)濕度冬季相對(duì)濕度人

4、員密度人/m2照明W/m2新風(fēng)量m3/h p起居室高級(jí)起居261860400.152030門廳門廳261860400.122030餐廳餐廳261860400.122030臥室高級(jí)臥室261860400.102025娛樂酒吧261860400.232030女傭一般臥室261860400.122025表2 房間負(fù)荷及機(jī)組主要參數(shù)表 房間冷負(fù)荷kW熱負(fù)荷kW機(jī)組型號(hào)冷量kW耗功kW熱量kW耗功kW尺寸1F-1起居13.018.69GEHA04212.13.7112.63.431472*638*5331F-2餐廳7.955.77GEHA0247.22.037.51.911168*584*4321F-3

5、客房10.696.29GEHA0309.12.529.52.371270*635*4322F-1主臥7.514.77GEHA0247.22.037.51.911168*584*4322F-2其他13.689.68GEHA04212.13.7112.63.431472*638*533-1F地下11.026.25GEHA04212.713.7112.63.431472*638*533注：斜體為制熱工況。表3 埋地?fù)Q熱器基本設(shè)計(jì)參數(shù) 單位換熱量W/m換熱量kW管長(zhǎng)m孔數(shù)孔深m計(jì)算流速m/s孔間距m鉆孔直徑mm水管凈間距mm管徑mmIIIIIIIIIIIIIII50234.8535.266977056

6、658.158.80.730.824.531106025表4上海地區(qū)2間隔、24小時(shí)運(yùn)行的BIN參數(shù) BIN-6-4-202468101214小時(shí)數(shù)（h）濕球溫度（）1276168351524486440498521478428-6.3-5.1-3.3-1.60.11.83.86.28.210.011.5BIN1618202224262830323436小時(shí)數(shù)（h）濕球溫度（）49958961361653771858736192771413.615.517.61921.423.825.025.826.427.027.43.4 負(fù)荷計(jì)算及機(jī)組選型鑒于別墅內(nèi)房間眾多，功能分區(qū)明確，同時(shí)使用系數(shù)低。

7、空調(diào)系統(tǒng)采用分區(qū)獨(dú)立設(shè)計(jì)，不同房間負(fù)荷及機(jī)組配置見表2。外墻開設(shè)新風(fēng)口，直接引入主機(jī)回風(fēng)靜壓箱，計(jì)算不考慮風(fēng)系統(tǒng)引起的冷量損失。3.5 埋地?fù)Q熱器設(shè)計(jì)根據(jù)空調(diào)負(fù)荷分配，設(shè)置兩組地下埋管系統(tǒng)，I號(hào)系統(tǒng)負(fù)責(zé)別墅地上一層需求，II號(hào)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)地下一層和地上二層空調(diào)需要。環(huán)路采用單U型豎埋管設(shè)計(jì)，同程式布置以保持環(huán)路間水力平衡。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量、阻力計(jì)算并考慮附加修正，I、II號(hào)系統(tǒng)各配置PTB40-125A循環(huán)水泵一臺(tái)。換熱器主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。4 GSHP系統(tǒng)節(jié)能效果分析研究人員在分析空調(diào)系統(tǒng)能耗時(shí)，多采用負(fù)荷頻率表法和滿負(fù)荷當(dāng)量法，這種方法雖然直觀簡(jiǎn)便，但未考慮建筑的個(gè)體特性，誤差不容忽視。本文選

8、擇BIN法進(jìn)行別墅全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷及空調(diào)系統(tǒng)全年能耗計(jì)算。4.1 BIN參數(shù)4根據(jù)1984年的氣象觀測(cè)日?qǐng)?bào)表，上海氣象局用拉格朗日插值法，生成了全年8784小時(shí)（閏年）的逐時(shí)干球溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、總云量、法向直射日射、水平面的散射日射等數(shù)據(jù)。基于上述數(shù)據(jù)，上海地區(qū)2間隔、24小時(shí)運(yùn)行的BIN參數(shù)見表4，其中四個(gè)與建筑能耗有關(guān)的代表溫度見表5。表5 上海地區(qū)BIN參數(shù)關(guān)鍵溫度 高峰冷負(fù)荷溫度中間冷負(fù)荷溫度中間熱負(fù)荷溫度高峰熱負(fù)荷溫度36248-64.2 別墅全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷別墅全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷見圖1。4.3 GSHP系統(tǒng)全年運(yùn)行能耗土壤熱源熱泵系統(tǒng)能耗主要包括水源熱泵機(jī)組的功耗、埋地?fù)Q熱器側(cè)

9、循環(huán)水泵功耗、室內(nèi)側(cè)冷凍水循環(huán)水泵功耗、空調(diào)末端設(shè)備功耗。節(jié)能效果評(píng)價(jià)選擇風(fēng)冷熱泵（ASHP）為參考，以冷熱源側(cè)運(yùn)行能耗為主，不考慮室內(nèi)側(cè)循環(huán)水泵、末端設(shè)備功耗，見圖4、5、6。4.4 節(jié)能效果評(píng)價(jià)本文使用季節(jié)能效比SEER（Season Energy Efficiency Ratio）來分析兩種系統(tǒng)的運(yùn)行性能。SEER定義如下：計(jì)算可得：ASHP系統(tǒng)夏季運(yùn)行：SEER2.86 ASHP系統(tǒng)冬季運(yùn)行：SEER2.69 GSHP系統(tǒng)夏季運(yùn)行：SEER3.28 GSHP系統(tǒng)冬季運(yùn)行：SEER4.14顯然，冬夏季運(yùn)行，GSHP系統(tǒng)的季節(jié)能效比均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ASHP系統(tǒng)，尤其冬季運(yùn)行時(shí)，節(jié)能效果更加顯著。空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)獨(dú)立設(shè)計(jì)便于用戶根據(jù)房間使用情況，自由調(diào)節(jié)主機(jī)、埋地?fù)Q熱系