江阴某别墅地源热泵空调系统设计与总结

戴银宝

( 华东建筑设计研究院有限公司,上海 200070 )



江阴某别墅地源热泵空调系统设计与总结

戴银宝

( 华东建筑设计研究院有限公司,上海 200070 )

[摘要]地源热泵空调系统由于是一种高效节能环保型的空调系统,近年来已经受到人们的极大重视。本文以江阴某别墅地源热泵空调系统设计为例,浅析地源热泵空调系统在暖通设计中的应用,以求能为类似项目提供相关的经验及依据。

[关键词]地源热泵；浅层地热能资源；地埋管换热系统；土壤热平衡；热回收

0引言

可再生能源在建筑中的应用是建筑节能工作的重要组成部分,浅层地热能是可再生能源的重要类型，借助热泵技术将浅层地热能应用在建筑节能领域已受到政府和全社会的高度重视。但由于地源热泵系统的特殊性，其设计方法是业内人士普遍关注的问题。本文以实际工程为例，介绍某别墅地源热泵空调系统的设计过程，通过采用带热回收的地源热泵系统解决土壤的热平衡问题，并就地源热泵热回收和太阳能提供生活热水的方式作简要的分析。

1工程概况及室内外设计参数

本工程地处江苏省江阴市，为居住建筑，总建筑面积约11万平方米。其中1～5号楼为高层住宅，6～27号楼为联排别墅，28号楼为商业会所，地下一层及二层主要用途为汽车库、设备用房和人防区域。联排别墅部分采用地埋管地源热泵空调系统，本文仅对6#别墅设计过程详细说明，其余别墅基本类似。6#别墅空调面积共281.72m2，室外、内设计参数见表1、表2。

表1室外空气计算参数

季节空调干球温度(℃)湿球温度或相对湿度(℃)或(%)通风计算温度(℃)极端温度(℃)平均风速(m/s)大气压力(hPa)供暖计算温度(℃)主导风向夏季34.428.3℃31.338.83.51003.7SE冬季-2.577%3.7-8.33.51024.1-0.4N

表2室内空气设计参数

区域名称夏季温度(℃)RH(%)冬季温度(℃)RH(%)新风量(m3/h·p)噪声dB(A)备注卧室256020≥405040起居室256020≥405045书房256020≥403040

2空调系统

2.1冷热负荷计算

利用可再生地热能作为空调冷热源的热泵系统，被称为是21世纪的一项以节能和环保为特征的最具有发展前途的绿色空调技术。本工程采用地埋管地源热泵系统作为空调系统的冷热源，为保证土壤热平衡采用带热回收的地源热泵系统，同时提供生活热水供应，空调负荷计算数值见表3。

表3空调负荷计算表

户型空调面积(m2)夏季负荷指标(W/m2)夏季负荷(kW)冬季负荷指标(W/m2)冬季负荷(kW)热水负荷(kW)6#281.7213036.810830.612.5

2.2空调冷热源系统

每户单独采用一套带热回收的地源热泵系统，可提供生活热水。分离式地源热泵机组设置在地下室机房内(内置埋管侧水泵、空调侧水泵和生活热水泵)，制冷时热泵机组将热量释放到地埋管中，空调侧进出水温度为7℃/12℃，地源侧供回水温度为30℃/35℃；制热时热泵机组从地埋管中吸取热量，空调侧进出水温度为45℃/40℃，地源侧供回水温度为10℃/5℃。地埋管换热器系统为竖直埋管换热系统，钻孔埋管换热器采用双U型埋管方式。空调系统原理图见图1。

图1　空调系统原理图

2.3设备选型

根据本项目的特点，选用1台热回收型地源热泵冷温水机组，性能参数如表4。

2.4地源热泵土壤换热器计算

根据现场土壤热响应测试报告确定单U井夏季(冬季)土壤换热量为：55W/m(35W/m)，而根据现场实际情况综合考虑最终确定设计为双U井，则双U井夏季(冬季)土壤换热量为：60W/m(40W/m)。本项目为每家自成一个系统，不采用加冷却塔的方式来考虑热平衡，采用热回收方式并适当放大埋管量通过土壤在过渡季节自身散热来解决热平衡问题。热回收部分根据水专业计算值进行适当放大后考虑。

地下土壤作为空调系统的冷热源，其作用相当于换热器，空调系统从土壤中取冷、取热。

表4设备性能参数表

编号名称型号与规格单位数量备注1地源热泵机组(地源工况)制冷量:40.6kW;制热量:42kW;热回收量:41.6kW制冷输入功率:11.4kW;制热输入功率:12.5kW;热回收输入功率:12.5kW制冷时:冷冻水进出口温度:12℃/7℃;冷凝器进出口温度:30℃/35℃供热时:热水进出口温度:40℃/45℃;蒸发器进出口温度:10℃/5℃台1内部切换2地源侧循环泵L=8.5m3/h;H=28m;N=2.2kW台23空调侧循环泵L=7.0m3/h;H=25m;N=2.2kW台1机组自带4热水循环泵L=7.15m3/h;H=6～8m;N=0.55kW台1机组自带5电子水处理仪DN70台1地源侧6电子水处理仪DN70台1空调侧7定压罐19L只1地源侧8定压罐13L只1空调侧9水箱350L个1

最大取冷量、取热量确定[1]，如式(1)、式(2)：

(1)

(2)

式中:

Qk—土壤换热器最大取冷量，kW；

Q0—土壤换热器最大取热量，kW；

Qc—建筑设计冷负荷，或由地埋管热泵系统承担的冷负荷，36.8 kW；

Qh—建筑设计热负荷，或由地埋管热泵系统承担的热负荷，30.6 kW；

COPc—水源热泵机组制冷性能系数，取3.55；

COPh—水源热泵机组制热性能系数，取3.35；

根据上式计算得：

夏季最大释热量(土壤换热器最大取冷量)：

Qk=(36.8 -12.5)×(1+1/3.55)

=31.1(kW)；

冬季最大吸热量(土壤换热器最大取热量)：

Q0=(30.6+12.5)×(1-1/3.35)

=30.2(kW)；

按冬季工况确定的地埋管换热器(或换热井)数量[1]可按式(3)计算：

(3)

式中:

N—地埋管换热器(或换热井)数量，个；

Q0—地埋管换热系统取热量，kW；

α—换热器管群附加修正系数，取值范围从0.8～0.95。井间距较小、换热器管群规模较大取较小值，反之，取较大值；

q0—每延米换热器(井)的取热量(实测法数值)，W/m；

l—换热器(井)的有效深度，m；

β—安全裕量系数，取5%～10%；

按夏季工况确定的地埋管换热器(或换热井)数量[1]可按式(4)计算：

(4)

式中:

N—地埋管换热器(或换热井)数量，个；

Qk—地埋管换热系统设计释热量，kW；

α—换热器管群附加修正系数，取值范围从0.8～0.95。井间距较小、换热器管群规模较大取较小值，反之，取较大值；

qk—每延米换热器(井)的释热量(实测法数值)，W/m；

l—换热器(井)的有效深度，m；

β—安全裕量系数，取5%～10%；

地埋管换热器(或换热井)数量计算结果见表5：

表5地埋管换热器(或换热井)数量计算

楼号季节井深(m)设计计算井数(口)最终确定井数(口)6#夏季4015冬季402124

根据现场场地情况，钻孔内设双U型地埋管换热器，垂直埋管的外径为De25，钻孔直径为150mm，由于别墅各个区域地下岩石的影响，所以最终确定6#别墅井深为40米，打井24口。

2.5土壤热平衡分析

计算条件：夏季制冷期为120天(6月1日～9月30日),冬季采暖期为120天(11月15日～3月15日)，机组每天运行10个小时，考虑制冷季总冷负荷系数取0.7，制热季总热负荷系数取0.75。

整个制冷期向土壤排放的总热量：

Ø1=31.1×0.7×10×120=26124(kWh)

整个制热期从土壤吸收的总热量：

Ø2=30.2×0.75×10×120=27180(kWh)

制取生活热水从土壤吸收的总热量：

Ø3=12.5×(1-1/3.35)×125

=1096(kWh)

冷热不平衡率U=[(Ø2+Ø3)-Ø1]/(Ø2+Ø3)=7.6%<10%,满足规范要求。

全年取热量和释热量相差不大于10%[1]，同时，不同时间、不同季节合理开启不同的换热器也可达到稳定地下土壤温度的目的。

3生活热水热源的比较

江阴地区地处无锡，根据无锡市的规定2008年3月1日以后委托施工图设计审查的城镇区域内新建12层及以下住宅(含农民拆迁安置房)和新建、改建、扩建的宾馆、酒店、商住楼等有热水需求的公共建筑，应统一设计和安装太阳能热水系统。符合上述应用范围的市区项目，拟不采用太阳能热水系统的，需要给出书面理由。由于本项目在规定范围之内，所以需要对热回收型地源热泵系统提供生活热水和太阳能提供生活热水作相应的比较，本处仅对运行能耗方面作简要分析。

对于地源热泵系统部分能耗：

夏季空调耗电量：

11.4 kW×10 h×120天=13680 kWh

冬季空调耗电量：

12.5 kW×10 h×120天=15000 kWh

生活热水耗电量：

12.5 kW×1 h×365天=4562.5 kWh

合计全年耗电量为33242.5 kWh。

如使用太阳能热水，则空调部分常用的系统形式为变频多联机空调系统，其性能系数需满足江苏省公共建筑节能标准的要求，根据项目的冷热负荷，拟选用一台16HP的多联机，制冷量为45 kW，制冷耗电量为13.7 kW，制热量为50 kW，制热耗电量为14.2 kW，全年空调能耗为：

夏季空调耗电量：

13.7 kW×10 h×120天=16440 kWh

冬季空调耗电量：

14.2 kW×10 h×120天=17040 kWh

合计多联机空调部分全年耗电量为33480 kWh，仅空调部分已经比地源热泵系统多损耗237.5 kWh，还未计入太阳能热水器的耗电量以及辅助加热部分的耗电量，所以本工程别墅采用地源热泵系统比采用太阳能热水系统和变频多联机空调系统综合能耗低，选用地源热泵带热回收系统提供生活热水是合适的。

4结语

(1)在华东地区，建筑物夏季空调冷负荷大于冬季热负荷，地源热泵埋管区域存在热积累，出现严重的冷热量失衡，导致土壤温度逐年升高，影响系统长期运行效果。因此，合理解决土壤热平衡问题成为地源热泵系统长期高效运行的技术关键。

(2)采用带热回收的地源热泵系统，能很好的解决土壤热平衡问题，同时也可有效降低系统投资并提供生活热水，提高系统的运行节能效果。

5参考文献

[1] 南京市建筑设计研究院有限责任公司.DGJ32/TJ89-2009 地源热泵系统工程技术规程[S].南京：凤凰出版传媒集团江苏科学技术出版社，2010

[2] 江苏省建筑设计研究院有限公司.DGJ32/J96-2010 公共建筑节能设计标准[S].南京：凤凰出版传媒集团江苏科学技术出版社，2010

Design And Conclusion of Ground-source Heat Pump System of a Villa in Jiangyin

DAI Yinbao

( East China Architectural Design & Research Institute Co.,Ltd.，Shanghai 200070 )

Abstract：The ground-source heat pump system is a highly efficient energy-saving environmental protection air conditioning system,in recent years it has been heavily promoted by the people.This paper，taking a ground- source heat pump system design of a villa for an example，analyses the application of the ground- source heat pump system in hvac design，in order to provide relevant experience and basis for similar projects.

Key words：Ground-source Heat Pump；Shallow geothermal resources；Ground heat exchange system；Soil thermal balance；Heat recovery

收稿日期：2015-8-30

作者简介：戴银宝(1987-)，男，工程师，主要从事暖通设计。Email：1064409928@qq.com

文章编号：ISSN1005-9180(2016)01-053-06

中图分类号：TU831文献标示码：B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.04.010