某大學(xué)實(shí)驗(yàn)樓地源熱泵采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)
楊偉 ，張軍，楊琳琳，高珊
（遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑與工程學(xué)院，阜新市123000）

摘要：對(duì)某大學(xué)實(shí)驗(yàn)樓采暖熱負(fù)荷按規(guī)范進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果小于估算值，原因在于新建建筑物采用了節(jié)能技術(shù)。對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了分析，與采用冬季集中供熱的采暖系統(tǒng)相比，在相同的熱負(fù)荷條件下，地源熱泵系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果。地源熱泵的應(yīng)用還受多方面的影響,需要設(shè)計(jì)人員多積累多思考,將技術(shù)的可靠性、節(jié)能性和環(huán)保性有效地結(jié)合起來(lái)。
關(guān)鍵詞：地?zé)釗Q熱器；供熱； 經(jīng)濟(jì)性分析； 節(jié)能    

Design of Ground-Source Heat Pump heating system for a University’s Lab Building

Yang Wei ，Zhang Jun，Yang Linlin，Gao Shan

(College of Architecture Engineering of Liao Ning Technical University, Fuxin City, 123000)

Abstract: The detailed calculation of a Ground-Source heat pump heating system for a university laboratory showing that it is less than estimated values, The reason is that the use of energy-saving technologies in new buildings. The actual operation cost is analyzed. Compared with central heating systems, ground-source heat pump system has a remarkable energy-saving effect to meet the same heat load. Application of ground-source heat pump there are still affected by many factors. It is necessary for designers to accumulate experience and think about the GSHP’s combination of reliability, energy-efficiency and environmental protection.
Keywords: geothermal heat exchanger; Heating; Economic Analysis; Energy Efficiency

1 引言
    在歐美，將地源熱泵系統(tǒng)用于建筑物的供熱和空調(diào)已是較成熟的技術(shù)[1]。近年來(lái),由于我國(guó)對(duì)保護(hù)環(huán)境和節(jié)能的關(guān)注,地源熱泵技術(shù)已受到越來(lái)越多的重視。但實(shí)際應(yīng)用的工程仍然較少，這主要是由于缺乏行之有效的設(shè)計(jì)方法。地源熱泵是利用土壤良好的儲(chǔ)熱/冷特性進(jìn)行供熱空調(diào)的一種工程應(yīng)用，在冬季供熱時(shí)，大地作為低溫?zé)嵩矗瑹岜孟到y(tǒng)利用預(yù)埋在地下的管道，通過(guò)循環(huán)介質(zhì)吸收儲(chǔ)存在地下的熱能，由熱泵完成逆循環(huán)并向用戶提供熱量。驅(qū)動(dòng)地源熱泵的主要是電能，除此之外，地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行工作過(guò)程中無(wú)需其他熱源或動(dòng)力，是城市供熱的一種清潔能源。
地源熱泵供暖系統(tǒng)主要分三部分：室外地能換熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組和室內(nèi)采暖末端系統(tǒng)。其中熱泵機(jī)組主要有兩種形式：水一水式或水一空氣式。三個(gè)系統(tǒng)之間靠水或空氣作為循環(huán)換熱介質(zhì)進(jìn)行熱量的傳遞。

2 工程概況
   實(shí)驗(yàn)樓位于東經(jīng)122°，北緯42°，為北溫帶大陸型季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為8.8℃。最冷月（1月）平均氣溫在-4.5～8℃之間。最熱月（8月）平均氣溫在24℃上下，平均相對(duì)濕度61％，最大相對(duì)濕度78％，最小相對(duì)濕度48％。平均凍土深度1.11米，最大凍土深度1.48米，最小凍土深度0.68米。
本建筑物是集教室、實(shí)驗(yàn)室、多功能演示廳、模擬法庭、辦公等為一體的綜合大樓。占地面積4837.91m2，建筑面積27354.26m2，總高度是34.5m。主樓八層，地下室層高4.5m, 作為泵房和設(shè)備間兼有休息和娛樂(lè)區(qū)；一～四層層高是4.5m，為教學(xué)用房；五～八層層高是3.9m為實(shí)驗(yàn)用房；附樓五層，層高是4.5m，教學(xué)用房。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)
   室外氣象參數(shù)表見(jiàn)表1-1

   表1-1  室外氣象參數(shù)表

  
1) 室內(nèi)溫濕度：  冬季  t= 24  ℃          Ф≥ 40  %
2) 室內(nèi)人員數(shù)量：略
4) 照明和辦公設(shè)備：辦公室   10w/㎡     明裝熒光燈 
教室    40w/㎡      明裝熒光燈
5) 工作時(shí)間：       冬季  16小時(shí)
室內(nèi)溫度取值說(shuō)明：為了滿足人體熱舒適的環(huán)境，有助于人的身心健康，提高學(xué)習(xí)工作效率取24℃，比規(guī)范最高值超6℃。

4 地源熱泵系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算
4、1 熱泵系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算[2~5]
    供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷是供暖設(shè)計(jì)中最基本的數(shù)據(jù)，它直接影響供熱方案的選擇、供暖設(shè)備的容量以及供暖系統(tǒng)的使用效果和運(yùn)行成本。建筑的供暖熱耗是由建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱、冷風(fēng)滲透耗熱及建筑物內(nèi)部得熱三部分組成。按《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算結(jié)果為875336.32W，設(shè)計(jì)熱指標(biāo)為32W/㎡(1039462.77W /27354.26㎡=38W/㎡)?？偀嶝?fù)荷應(yīng)包括用戶實(shí)際所需的供暖熱耗以及系統(tǒng)本身的損失。損失一般用附加值計(jì)算，對(duì)于直接供熱系統(tǒng)通常附加5%~7%。經(jīng)調(diào)整后的總熱負(fù)荷為（1039462.77W×1.06）1101831W。
建筑物的總供暖熱耗也可按建筑的類(lèi)型和使用性質(zhì)，采用單位面積熱指標(biāo)法來(lái)估算總供暖熱耗。查文獻(xiàn)[5]，學(xué)校供暖設(shè)計(jì)熱指標(biāo)為58～81W/㎡。由于本建筑采用了節(jié)能墻體等技術(shù)，實(shí)際計(jì)算結(jié)果低于推薦值
4、2、室內(nèi)末端系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    辦建筑為高層建筑，需采用豎向分區(qū)熱水供暖，分區(qū)式熱水供暖系統(tǒng)的四種主要型式為設(shè)熱立換器的分區(qū)式系統(tǒng)、高雙水箱的分區(qū)式系統(tǒng)、設(shè)閥前壓力調(diào)節(jié)器的分區(qū)系統(tǒng)、設(shè)斷流器和阻旋器的分區(qū)式系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)主樓采用設(shè)斷流器和阻旋器的分區(qū)式系統(tǒng)，分為一～四層、五～八層兩個(gè)區(qū)，附樓為一個(gè)區(qū)。
4、3、地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    地?zé)釗Q熱器的埋管方式主要有兩種形式 ，即豎直埋管和水平埋管[3]．選擇哪種方式主要取決于場(chǎng)地大小、當(dāng)?shù)貛r土類(lèi)型及挖掘成本。如果場(chǎng)地足夠大且無(wú)堅(jiān)硬巖石，則水平式較經(jīng)濟(jì)。當(dāng)場(chǎng)地面積有限時(shí)，適合采用豎直埋管方式，很多情況下選擇后者。
    水平埋管就是將塑料管水平敷設(shè)在離地面 1～2m的地溝內(nèi)。水平埋管的地?zé)釗Q熱器受地表氣候變化的影響，效率較低，而且占地的面積比較大，在國(guó)內(nèi)建筑物比較密集的情況下，它的使用受到一定的限制。水平埋管的地?zé)釗Q熱器有以下幾種形式：(1)水平單管；(2)水平雙管；(3)水平四管；(4)水平六管等。實(shí)踐證明，水平換熱器的壽命較長(zhǎng)。
豎直埋管就是在地層中垂直鉆孔，孔的深度一般在30～150米。在豎直埋管方式中，由于地下深層土壤溫度比較恒定，占地面積小，因此在地源熱泵工程中得到了廣泛的應(yīng)用。豎直埋管的地?zé)釗Q熱器的形式有以下幾種 ：(1)單U一型管；(2)雙U一型管；(3)小直徑螺旋盤(pán)管；(4)大直徑的螺旋盤(pán)管；(5)立式柱狀；(6)蜘蛛狀。在豎直埋管換熱器中，目前應(yīng)用最為廣泛的是單U一型管。本設(shè)計(jì)采用豎直雙U一型管的地下?lián)Q熱器的。
4、4  地?zé)釗Q熱器的設(shè)計(jì)[6，7]
    地?zé)釗Q熱器的長(zhǎng)度直接影響到熱泵機(jī)組的性能和系統(tǒng)的初投資，因此合理確定地?zé)釗Q熱器的長(zhǎng)度是地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵。地?zé)釗Q熱器的設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：地?zé)釗Q熱器的長(zhǎng)度的確定；地?zé)釗Q熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及管路的連接方式。
    確定地?zé)釗Q熱器的長(zhǎng)度采用了估算法。所謂估算法就是首先根據(jù)建筑物的峰值負(fù)荷，確定出地?zé)釗Q熱器的長(zhǎng)度，然后確定地?zé)釗Q熱器的平面布置情況，再根據(jù)手冊(cè)中給定的單位管長(zhǎng)或單位埋管深度的放熱量，求出所需地?zé)釗Q熱器的長(zhǎng)度。這種方法簡(jiǎn)單，比較適合工程設(shè)計(jì)。
根據(jù)該建筑的實(shí)際情況，地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到冬季供熱的要求。室外埋管系統(tǒng)采用垂直U型埋管方式[6]，管徑De32。根據(jù)峰值負(fù)荷計(jì)算埋地?fù)Q熱器，采用垂直雙U型埋管方式需鉆孔222口，孔深80米，間距6米。

5 地源熱泵采暖系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用
    冬季采暖183天，每天24小時(shí)運(yùn)行。設(shè)置循環(huán)水泵四臺(tái), 三用一備，單臺(tái)功率為37KW, 熱泵機(jī)組三臺(tái), 兩用一備型號(hào)為W490[8],單臺(tái)機(jī)組電功率為137.8KW ,同時(shí)運(yùn)行系數(shù)0.49. 根據(jù)有關(guān)實(shí)際運(yùn)行情況及室內(nèi)外參數(shù),對(duì)系統(tǒng)在采暖期間的耗電量和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行了分析計(jì)算 結(jié)果如表1所示。

一、耗電量
序號(hào) 設(shè)備名稱(chēng) 冬季耗電量（KWh）
1 熱泵機(jī)組 593113
2 循環(huán)水泵 238881
合計(jì) 831994
二、運(yùn)行費(fèi)用（元） 415996.9
電價(jià)計(jì)算時(shí)按0.5元計(jì)算
在同樣的供熱負(fù)荷條件下，如僅采用冬季集中供熱，其供熱費(fèi)為615470.85元（27354.26 m2X22.5元/米2=615470.85元)，而采用冬季供熱時(shí)地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用僅為46818元。與此相比地源熱泵可節(jié)約費(fèi)用約32.41％ 。
6 結(jié)論
1)、由于新建建筑物采用節(jié)能技術(shù)，熱負(fù)荷估算值要小于計(jì)算值，在熱泵設(shè)計(jì)初期要對(duì)熱負(fù)荷估算值進(jìn)行修正。
2)、與集中供熱采暖系統(tǒng)相比，在滿足相同的熱負(fù)荷條件下，地源熱泵系統(tǒng)可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約32.41％。由于地源熱泵系統(tǒng)可以有效改善局部環(huán)境，對(duì)環(huán)境保護(hù)有積極的促進(jìn)作用。
3)、地源熱泵的應(yīng)用還受土壤或巖石特性影響，初投資較高、缺少針對(duì)土壤熱物性參數(shù)的研究成果、缺少最佳匹配參數(shù)、缺少動(dòng)態(tài)特性研究等方面因素,需要設(shè)計(jì)人員多積累多思考,將技術(shù)的可靠性和節(jié)能性、環(huán)保性有效地結(jié)合起來(lái)。

注：本文為《地源熱泵》雜志專(zhuān)稿內(nèi)容，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明“中國(guó)地源熱泵網(wǎng)”。