濟(jì)南某地源熱泵系統(tǒng)工程的校核計(jì)算

李金花¹  李冬青²  王運(yùn)強(qiáng)³陳海鋒¹

(1山東方亞地源熱泵空調(diào)技術(shù)有限公司2山東亞特爾集團(tuán)股份有限公司3山東國(guó)舜建設(shè)集團(tuán)有限公司)

摘要：本文針對(duì)某工程實(shí)例，結(jié)合建筑所在地濟(jì)南地區(qū)的氣候特點(diǎn)及建筑逐時(shí)負(fù)荷，利用專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)軟件，對(duì)該建筑的地埋管設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行校核計(jì)算，分析了地埋管換熱器循環(huán)水溫度變化、壁孔溫度變化情況及熱泵進(jìn)口溫度變化（以十年為周期），并計(jì)算了系統(tǒng)全年的運(yùn)行費(fèi)用。

關(guān)鍵詞：地源熱泵、循環(huán)水溫度、運(yùn)行費(fèi)用

The verification calculation of a ground source heat pump system in Jinan

Li Jinhua¹ , Li Dongqing² , Wang Yunqiang³ , Chen Haifeng¹

(1, Shandong Fangya GSHP Techonology Co.Ltd.

2, Shangdong Yateer Group Co.Ltd.

3, Shandong Guoshun Construction Group Co.Ltd.)

Abstract: Based on an engineer example of ground source heat pump air-conditioning system in Jinan as well as thesite’s weather characteristic and the building’s hourly loads, the geothermal heat exchanger is further designed with the professional software “Geo Star”. Temperature variations of the circulating water in the geothermal heat exchanger and that of the borehole wall as well as that of the heat pump inlet are all analyzed (within a ten-year cycle). Simutaneously, the operation cost of the system is calculated.

Key words: ground source heat pump, circulating water temperature, operation cost

1. 引言

地源熱泵系統(tǒng)利用200m以?xún)?nèi)的淺層地殼中儲(chǔ)存的熱能資源對(duì)建筑進(jìn)行供熱與空調(diào)，具有良好的節(jié)能與環(huán)境效應(yīng)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)得到了日益廣泛的應(yīng)用。根據(jù)地?zé)崮懿杉到y(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)^【1】。地埋管地源熱泵系統(tǒng)是利用閉式環(huán)路采集地下巖土中熱量的的地源熱泵系統(tǒng)，通常稱(chēng)之為“閉式環(huán)路地源熱泵”、“地耦合地源熱泵”，以區(qū)別于地下水熱泵系統(tǒng)。它通過(guò)循環(huán)液（水或以水為主要成分的防凍液）在封閉的地下埋管中流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的傳熱。由于較深的地層在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠(yuǎn)高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度，因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術(shù)障礙，且效率大大提高^【2】。考慮到中國(guó)地少人多、水資源匱乏的國(guó)情，優(yōu)先采用豎直埋管地源熱泵技術(shù)。

1. 工程概況與建筑負(fù)荷

本工程位于山東濟(jì)南地區(qū)，建筑面積約為25000㎡，為機(jī)關(guān)辦公樓，地上11層、地下1層。利用由北京某研究所開(kāi)發(fā)的負(fù)荷計(jì)算軟件^[3]計(jì)算其全年逐時(shí)負(fù)荷如下圖。本工程擬采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，共鉆孔270個(gè)，單個(gè)鉆孔100延米，孔徑為150mm，地下?lián)Q熱器采用單U型De32管。

1. 地埋管系統(tǒng)校核計(jì)算
2. 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)，系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如下：

表格 1地埋管換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)^[4]

1. 建筑負(fù)荷初步分析

表格 2

由此可得，地埋管換熱器冷熱負(fù)荷的不平衡率為23%，冷負(fù)荷稍大于熱負(fù)荷。

•  循環(huán)水溫度分析

系統(tǒng)運(yùn)行模擬的第一個(gè)運(yùn)行季為采暖季，循環(huán)液的最低入口溫度出現(xiàn)在第一個(gè)月，溫度值為7.5度左右，以后幾年的情況循環(huán)液的最低入口溫度會(huì)逐漸升高。最高溫度在第116月，為31.6度。從圖中可以看出，這三個(gè)溫度都呈上升趨勢(shì)，原因是由于夏天排到地下的熱量大于冬天從地下的取熱量（即冷負(fù)荷占優(yōu)），會(huì)使土壤的溫度成上升趨勢(shì)，而循環(huán)水受環(huán)境溫度的影響為滿(mǎn)足換熱要求也呈上升的趨勢(shì)^[5]。                                                                                                           

圖 2循環(huán)水最高溫度、最低溫度及鉆孔壁溫變化曲線(xiàn)

       由圖可見(jiàn)，循環(huán)水每年的最高、最低溫度隨運(yùn)行時(shí)間呈微弱上升的趨勢(shì)，最高時(shí)達(dá)31.6℃，仍小于35℃，在制冷工況下仍可保證熱泵以較高的效率運(yùn)行；而最低溫度逐年上升則有利于熱泵在制熱工況保證較高的能效比，會(huì)使熱泵制熱功耗降低^【6】。。對(duì)于山東濟(jì)南這個(gè)采暖占重要地位的北方城市（政府規(guī)定采暖天數(shù)120天），顯然是一種有利的因素，所以對(duì)于本系統(tǒng)而言冷熱不平衡帶來(lái)的不是負(fù)面效果，而是進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的能效。**

1. 系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算

圖 3設(shè)備月耗功圖

圖3為系統(tǒng)主要設(shè)備（熱泵、機(jī)組）的各月耗功量。熱泵能耗計(jì)算利用了地源熱泵設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)計(jì)算。水泵的能耗計(jì)算條件為冬季運(yùn)行120d，每天運(yùn)行14h，考慮水泵采用變頻控制(根據(jù)設(shè)計(jì)院提供參數(shù)，用戶(hù)側(cè)水泵功率為11kw，地源側(cè)水泵功率為30kw)，取其運(yùn)行系數(shù)為0.65。由圖可見(jiàn)，月耗功最大的為1月份和7月份，同時(shí)可見(jiàn)在所有月份中，熱泵機(jī)組的能耗是主要部分。在全年總能耗中，熱泵機(jī)組耗功約為346132.5kWh，占總能耗的62%，水泵總能耗為212121kWh，占總能耗的38%。

1. 結(jié)論

  通過(guò)以上的模擬計(jì)算可知，該建筑地源熱泵系統(tǒng)在既定設(shè)計(jì)延米數(shù)下可節(jié)能、高效的運(yùn)行。同時(shí)通過(guò)以上計(jì)算可以得知：

（1）如圖2的循環(huán)水、鉆孔壁、熱泵進(jìn)口溫度變化曲線(xiàn)可推測(cè)，地?zé)釗Q熱器運(yùn)行過(guò)程中，地埋管周?chē)寥赖臏囟葓?chǎng)將發(fā)生變化，隨著溫度變化程度的增加和區(qū)域的擴(kuò)大，相鄰地埋管之間的換熱將受到影響，把這種因地溫變化而引起的換熱阻力的增加與換熱量的減弱，稱(chēng)為溫變熱阻。在本工程中，夏季向地下注入的熱量大于冬季從地下抽取的熱量，多余的熱量在地下積累，引起地下年平均溫度的變化。因此在鉆孔量的設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)加以考慮。

（2）通過(guò)圖3可見(jiàn)，在所有的能耗中熱泵機(jī)組的耗功量占總能耗的62%，水泵總的能耗占總能耗的38%。可見(jiàn)水泵的能耗也較大，在設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)考慮節(jié)能，一般地埋管側(cè)水泵揚(yáng)程不宜超過(guò)32mH₂O。

參考文獻(xiàn)

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[3]謝曉娜，宋芳婷，燕達(dá)，江億.建筑環(huán)境設(shè)計(jì)模擬分析軟件DeST——第二講  建筑動(dòng)態(tài)熱過(guò)程模型.暖通空調(diào)，2004，34（8）：35－47

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 [5] 曾和義，方肇洪雙U型埋管地?zé)釗Q熱器的傳熱模型山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，18（1）：6-9

[6]崔萍地?zé)釗Q熱器的傳熱模型及設(shè)計(jì)計(jì)算[D] 碩士學(xué)位論文濟(jì)南：山東建筑工程學(xué)院，2002