某綜合性辦公樓空調(diào)地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計

楊偉，祝百茹

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，阜新市123000）

摘要：對某綜合性辦公樓空調(diào)工程地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計與計算 ，并對系統(tǒng)的實際運行費用進(jìn)行了分析。與以冬季集中供熱采暖系統(tǒng)相比，在滿足相同的熱負(fù)荷條件下，地源熱泵系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果。地源熱泵的應(yīng)用還存在受多方面的影響因素,需要設(shè)計人員在工程設(shè)計中多積累多思考,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。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；供熱；制冷空調(diào)；經(jīng)濟(jì)性分析；節(jié)能

中圍分類號：TU83  文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A  

Design of Ground-Source Heat Pump Air Conditioning for a Complex Building

Yang Wei，Zhu Bairu

(College of Civil Architecture Engineering of Liao Ning Technical University, Fuxin, 123000, Liaoning ,China)

Abstract:Design and calculating of Ground-Source heat pump air conditioning for a complex building,And the actual cost of running an analysis。And compared to central heating in winter heating system, In the heat load to meet the same conditions, Ground-source heat pump system has significant energy-saving effect. Application of ground-source heat pump there are still affected by many factors, Need to design in the engineering design of the accumulation of more and more thinking, The reliability of the technology and energy conservation, environmental protection and effectively together.

Keywords:Ground-Source Heat Pump; Heating; Refrigeration Air Conditioning; Economic Analysis; Energy Efficiency

1 引言

中國是一個能源消耗大國，能源消耗總量排在世界第二。而中國人口眾多，能源相對缺乏，人均能源占有量僅為世界平均水平的40%，建筑能耗已經(jīng)占到社會總能耗的40%左右，而能源效率目前僅為33%，比發(fā)達(dá)國家落后20年，能耗強(qiáng)度大大高于發(fā)達(dá)國家及世界平均水平，約為美國的3倍，日本的7.2倍^[1]。如何提高能源利用效率，已經(jīng)成為中國政府在中國未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一個緊迫的問題。到目前為止，我國新建建筑的95％以上都是大量浪費能源的建筑^[2]，為了緩解能源緊張的局面和國家的可持續(xù)發(fā)展，必須加快推進(jìn)建筑節(jié)能。建筑節(jié)能最有效的方法之一就是采用地源熱泵技術(shù)替代傳統(tǒng)的石化物燃燒熱源。

地源熱泵作為熱泵技術(shù)應(yīng)用的一個新的分支，由于其節(jié)能和優(yōu)越的環(huán)保性能，正在得到廣泛的應(yīng)用。地源熱泵是利用土壤良好的儲蓄熱量及儲蓄冷量特性進(jìn)行逆循環(huán)的一種工程應(yīng)用；在冬季供熱時，熱泵系統(tǒng)通過預(yù)埋在地下的管道將儲存在地下的熱能通過傳熱介質(zhì)吸收，作為逆循環(huán)中的低溫?zé)嵩?，由熱泵完成逆循環(huán)并向供熱用戶提供熱量；在夏季供冷時，利用地下環(huán)境溫度較低的特點使制冷系統(tǒng)中的冷凝溫度降低，從而提高系統(tǒng)的制冷系數(shù)，與冷凝器直接與空氣環(huán)境進(jìn)行熱交換的普通空調(diào)器制冷相比，有較高的節(jié)能效果。

楊　偉（1965-），男，遼寧省阜新人，副教授，研究方向：高效傳熱與傳質(zhì)

電話：15941861788

E-mail：lgdyw@163.com

通信地址：遼寧省阜新市中華路47號遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院

由于地源熱泵系統(tǒng)在運行工作過程中除驅(qū)動熱泵的動力外，無需其他熱源或動力，而驅(qū)

動熱泵的動力主要是電能。因此，如不考慮電能的來源，地源熱泵系統(tǒng)是城市供熱及供冷的一種清潔能源。

地源熱泵供暖空調(diào)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)采暖空調(diào)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。三個系統(tǒng)之間靠水或空氣換熱介質(zhì)進(jìn)行熱量的傳遞。熱泵機(jī)組與土壤能量之間換熱介質(zhì)為水，與建筑物采暖空調(diào)末端換熱介質(zhì)可以是水或空氣。地源熱泵同空氣源熱泵相比，有許多優(yōu)點：(1)全年溫度波動小。冬季溫度比空氣溫度高，夏季比空氣溫度低，因此地源熱泵的制熱、制冷系數(shù)要高于空氣源熱泵，一般可高于40％，因此可節(jié)能和節(jié)省費用40％ 左右。(2)冬季運行不需要除霜，減少了結(jié)霜和除霜的損失。(3)地源有較好的蓄能作用。

   綜上所述，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果和環(huán)保效果，值得在本工程中應(yīng)用。

2 工程概況

該建筑是一幢十一層高的綜合性辦公樓，地處遼寧省。該地區(qū)地處北半球的暖濕帶，氣候溫和，年平均氣溫南部地區(qū)為10.5℃，北部地區(qū)在8.8～9.5℃之間，是中國東北地區(qū)最暖和的地區(qū)。最冷月（1月）平均氣溫在-4.5～8℃之間，是東北地區(qū)最暖和的區(qū)域。最熱月（8月）平均氣溫在24℃上下，是同緯度地區(qū)中最涼爽的區(qū)域之一。春季回暖快而不穩(wěn)，春雨少且年際變化大，春風(fēng)較大，南北風(fēng)交替頻繁；夏季氣溫高、濕度大，氣溫日較差小，陰雨日數(shù)較多，臺風(fēng)、暴雨多出現(xiàn)在該季，風(fēng)向以南風(fēng)為主，平均風(fēng)速在各季中最小；秋季氣溫下降較快，秋雨較少，濕度較小，風(fēng)速逐漸增大，風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為以北風(fēng)為主；冬季干而寒，季降水量僅占全年的3％～5％，盛行偏北風(fēng)，是一年中風(fēng)速最大的季節(jié)。

本建筑物的占地面積919.85m²，建筑面積10118.33m²，總高度是41.1m，第一層層高是6m，第二層層高是4.8m，第三層到第九層層高是3.3m，第十、十一層層高是3.6m。地下室是空調(diào)制冷機(jī)房和停車場，第一、二層是農(nóng)機(jī)展示廳，空間比較大，采用全空氣一次回風(fēng)系統(tǒng)；第三層到十一層是辦公室，其布局比較相似，都采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)。廁所設(shè)置排風(fēng)扇，保持廁所的相對負(fù)壓，通過其他房間滲透補(bǔ)充廁所風(fēng)量，再通過廁所風(fēng)機(jī)排出，使廁所異味不能擴(kuò)散至其他房間。為防止外部空氣流入空調(diào)房間，設(shè)定保持室內(nèi)5～10Pa正壓，送風(fēng)量大于排風(fēng)量時，室內(nèi)將保持正壓。

1. 設(shè)計計算參數(shù)

   室外氣象參數(shù)表見表1-1

表1-1  室外氣象參數(shù)表

1. 室內(nèi)溫濕度：  夏季  t= 26  ℃          Ф= 60  %

冬季  t= 20  ℃          Ф≥40  %

1. 室內(nèi)人員數(shù)量：大堂  0.1  人/㎡      餐廳  0.5  人/㎡

客房    2  人/間     其他   0.1  人/㎡

1. 照明和辦公設(shè)備：辦公室   10w/㎡     明裝白熾燈

其它    40w/㎡     暗裝熒光格柵燈

1. 工作時間：     夏季12 小時          冬季  24小時

4 地源熱泵系統(tǒng)負(fù)荷計算

4、1 熱泵系統(tǒng)負(fù)荷計算^{[4] [5]}

根據(jù)氣候條件及本建筑物的土建圍護(hù)結(jié)構(gòu)，室內(nèi)設(shè)計負(fù)荷計算時按傳統(tǒng)的方法計算熱負(fù)荷。總冷負(fù)荷應(yīng)包括用戶實際所需制冷量以及制冷系統(tǒng)本身和供冷系統(tǒng)的冷損失。冷損失一般用附加值計算，對于直接供冷系統(tǒng)通常附加5%~7%，對于間接供冷系統(tǒng)一般附加7%~15%。由于空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷的峰值不可能同時出現(xiàn)，所以不應(yīng)采用系統(tǒng)總負(fù)荷作為裝機(jī)容量，應(yīng)乘以系數(shù)0.6~0.8。該設(shè)計的綜合性辦公樓的總的冷負(fù)荷為606.52。所以乘得系數(shù)最后總的冷負(fù)荷為565.76。同樣計算出該辦公樓的總熱負(fù)荷為518.28。

4、2、室內(nèi)末端系統(tǒng)設(shè)計

辦公樓一二層是農(nóng)機(jī)展示廳，層高較高，建筑空間大，采用全空氣一次回風(fēng)系統(tǒng)；三層至十一層都是辦公室，辦公室是間歇性使用，白天使用，晚上關(guān)閉，人員分布較平均，同時各房間冷熱負(fù)荷并不相同需要進(jìn)行個別的調(diào)節(jié)，導(dǎo)致熱濕比不同，全空氣系統(tǒng)并不適合，所以采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)。辦公樓的每層都設(shè)有新風(fēng)機(jī)組，新風(fēng)接至風(fēng)機(jī)盤管，和風(fēng)機(jī)盤管的回風(fēng)一起混合后進(jìn)入室內(nèi)，新風(fēng)不承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷。風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)占空間少，使用也較靈活，但空調(diào)設(shè)備產(chǎn)生的振動和噪音問題需要采取切實措施予以解決。對于該系統(tǒng)所存在的缺點，可在設(shè)計當(dāng)中根據(jù)具體的問題予以解決和彌補(bǔ)。

該系統(tǒng)是采用雙管同程式系統(tǒng)，冬夏兩用的，夏季制冷，冬季供熱。

4、3、地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計

    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地大小、當(dāng)?shù)貛r土類型及挖掘成本。如果場地足夠大且無堅硬巖石，則水平式較經(jīng)濟(jì)。當(dāng)場地面積有限時，適合采用豎直埋管方式，很多情況下這是惟一選擇。

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。實踐證明，水平換熱器的壽命較長。

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)小直徑螺旋盤管；(4)大直徑的螺旋盤管；(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，本文主要討論豎直單U一型管的地下?lián)Q熱器的合理設(shè)計。

4、4  地?zé)釗Q熱器的設(shè)計^[6]

   地?zé)釗Q熱器的長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熱器的長度是地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行的關(guān)鍵。地?zé)釗Q熱器的設(shè)計主要包括以下內(nèi)容：地?zé)釗Q熱器的長度的確定；地?zé)釗Q熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及管路的連接方式。

確定地?zé)釗Q熱器的長度是估算法。所謂估算法就是首先根據(jù)建筑物的峰值冷負(fù)荷或熱負(fù)荷確定出地?zé)釗Q熱器的放熱量或吸熱量，然后確定地?zé)釗Q熱器的布置方式，再根據(jù)手冊中給定的單位管長或單位埋管深度的放熱量即可求出所需地?zé)釗Q熱器的長度。這種方法簡單，比較適合工程設(shè)計。

根據(jù)該建筑的實際情況設(shè)計地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)以達(dá)到夏季制冷、冬季供熱的要求。地源熱泵系統(tǒng)的室外埋管系統(tǒng)采用垂直U型埋管方式。根據(jù)埋地?fù)Q熱器放熱最大負(fù)荷計算，采用垂直U型埋管方式需打井188口，井深1O0米。室外垂直埋管占地面積最小需要1245平方米。冬季供熱和夏季供冷時地源熱泵系統(tǒng)通過控制四通閥可以實現(xiàn)冬、夏兩季不同工況的轉(zhuǎn)換。

5 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行費用

夏季空調(diào)運行1O0天，每天12小時運行。冬季空調(diào)運行183天，每天24小時運行。室內(nèi)空調(diào)循環(huán)水泵功率為7.5KW， 室外空調(diào)循環(huán)水泵7.5KW, 熱泵機(jī)組兩臺, 單臺機(jī)組電功率為 30KW運行系數(shù)0.49. 根據(jù)有關(guān)實際運行情況及室內(nèi)外參數(shù)情況,對系統(tǒng)在冬、夏兩季的耗電量和運行費用進(jìn)行了分析計算結(jié)果如表1所示。

表1  地源熱泵系統(tǒng)運行分析

電價計算時按0.5元計算

在同樣的供熱負(fù)荷條件下，如僅采用冬季集中供熱，其供熱費為217544元（10118.33 m²X21.5元/米²），

而采用冬季供熱和夏季供冷時地源熱泵系統(tǒng)運行費用僅為46818元。與此相比地源熱泵可節(jié)約費用約78.5％ 。

6 結(jié)論

1)、與以冬季集中供熱采暖系統(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)省運行費用78.5％左右。地源熱泵系統(tǒng)在夏季供冷時，由于地下溫度低于環(huán)境溫度，使熱泵系統(tǒng)的冷凝溫度降低,導(dǎo)致系統(tǒng)的制冷系數(shù)提高，高于普通空調(diào)器的制冷系數(shù)。由于地源熱泵系統(tǒng)無需消耗燃料，使用便捷；可以有效改進(jìn)局部環(huán)境，對環(huán)境保護(hù)有積極的促進(jìn)作用。

2)、地源熱泵的應(yīng)用還存在諸如其效果受土壤或巖石特性影響較強(qiáng)、初投資較高、缺少針對土壤熱物性參數(shù)的研究成果、缺少最佳匹配參數(shù)、缺少動態(tài)特性研究等方面的影響因素,需要設(shè)計人員在工程設(shè)計中多積累多思考,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。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊深.建筑七千年.天津:科技翻譯出版社，2003.

[2] 趙洪波.節(jié)能在上海－能源基金會項目《上海地區(qū)公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》主題報[Z]同濟(jì)大學(xué),2003.

[3] Oklahoma state university．Geothermal heat pumps：introductory guide[M]．Oklahoma state university，1 997．

[4]曾丹苓等，工程熱力學(xué)(第三版)，北京；高等教育出版社，2002

[5]陸耀慶，實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊，北京； 中國建筑工業(yè)出版社，1995

[6]蔣能兆等， 空調(diào)用熱泵技術(shù)及應(yīng)用， 北京；機(jī)械工業(yè)出版社，1994