地源热泵技术在社管院综合性建筑群中的应用

2022-03-17王勇毅

山西建筑 2022年6期

王勇毅

（北京社会管理职业学院，北京 102628）

1 项目情况

本项目用地位于北京市大兴区团河地区，东至现状凤河用地权属，南至现状排水渠，西至规划基本农田，北至现状北京政法职业学院。集教学、办公、服务、住宿等为一体的综合性建筑群。北京社会管理职业学院回迁项目一期工程地源热泵系统供冷和供热范围包含：1 号、2 号、3 号、4 号、5 号、9 号、10 号楼、综合楼，地源热泵系统服务的总建筑面积为122 347．64 m2。根据建筑物的分布情况将该项目划分为南北两个独立系统，分别为两个区域内的建筑提供冷热源［1］。各建筑具体面积参数见表1。

表1 各建筑具体面积参数

2 系统设计

2．1 南区系统

2．1．1机房设计及设备选型

南区系统包含：1 号楼、2 号楼、3 号楼、4 号楼、5 号楼、综合楼。南区总冷负荷：6 998．86 kW，南区总热负荷：6 076． 31 kW。二期预留10 000 m2建筑冷负荷：820 kW，热负荷：720 kW。根据南区系统总冷热负荷，选用4 台（3 大1 小）地源热泵主机共同承担南区的冷热负荷需求；现一期阶段选用3 台制冷量为2 064．8 kW；功率：338．6 kW（标准工况）；制热量为2 057．5 kW；功率：440．3 kW（标准工况）地源热泵主机可以满足一期南区建筑物的冷热需求；二期预留的10 000 m2建筑同时有制冷和供暖需求时，一期现有的3 地源热泵主机不能同时满足一期和二期建筑物使用需求时，增加1 台制冷量为929． 3 kW；功率： 155． 6 kW（标准工况）；制热量为916．9 kW；功率：198．9 kW（标准工况）地源热泵主机，将设备接入现有的地源热泵系统中，由4 台设备共同承担南区建筑物的冷热负荷［2］。一期机房内主机、水泵的位置及机房管路全部预留好，需要增加设备时，直接将设备接入系统即可。地源热泵主机制冷标准工况：冷冻水供回水温度7 ℃/12 ℃，冷却水供回水温度：25 ℃/30 ℃；制热标准工况：冷冻水供回水温度10 ℃/5 ℃，热水供回水温度：45 ℃/40 ℃。

南区地源热泵机房设备参数如表2 所示。

表2 南区地源热泵机房设备参数

南区机房一期系统需要用总电负荷约为1 780 kW。

南区系统机房最大用电功率：冬季最大用电负荷约为1 770．9 kW；夏季最大用电负荷约为1 465．8 kW。

2．1．2室外换热孔设计

由于本项目所处区域为永定河冲洪积扇中下部，第四系地层厚度约为75 m，为避免换热孔打穿第四系和基岩交界，对基岩地下水产生污染，换热孔采用深68 m 左右。冬季地埋管换热量为2．61 kW，测试孔深75 m，则折合每延米换热量为34． 9 W/m；夏季地埋管换热量为5．44 kW，折合每延米换热量为72．59 W/m。室外换热孔孔深73 m，地埋孔单孔设计为双U，钻孔直径为150 mm ～180 mm，换热孔孔间距为4．5 m；现阶段需要考虑二期预留换热孔，南区总冷负荷：6 998．86 kW，南区总热负荷6 076．31 kW，根据负荷估算计算所需地埋孔数量如下，富裕系数为1．05。夏季所需换热孔数为1 800 口，孔间距取4．5 m，地埋管布孔面积约为36 450 m2；冬季所需换热孔数为2 025 口，孔间距取4．5 m，地埋管布孔面积约为41 006 m2。综上所述：南区（考虑预留）共需要换热孔总数为2 025 口，室外换热布孔孔面积约为41 006 m2，总的换热孔长度为147 825 m，换热孔主要布置在1 号楼的南侧及1 号楼的北侧、3 号楼的东侧、4 号楼的西侧。

2．2 北区系统

2．2．1机房设计及设备选型

北区系统包含： 9 号楼、10 号楼，北区总冷负荷：2 587．98 kW，北区总热负荷： 2 521． 96 kW；二期预留10 000 m2建筑冷负荷：910 kW，热负荷：1 100 kW；根据北区系统总冷热负荷，现选用3 台地源热泵主机共同承担北区的冷热负荷需求；现一期阶段选用2 台制冷量为929． 3 kW；功率： 155． 6 kW（标准工况）；制热量为916．9 kW；功率：198．9 kW（标准工况）地源热泵主机可以满足一期北区建筑物的冷热需求；二期预留的10 000 m2建筑同时有制冷和供暖需求时，一期现有的2 地源热泵主机不能同时满足一期和二期建筑物使用需求时，增加1 台制冷量为929．3 kW；功率：155．6 kW（标准工况）；制热量为916．9 kW；功率：198．9 kW（标准工况）地源热泵主机，将增加的设备接入现有的地源热泵系统中，由3 台设备共同承担北区建筑物的冷热负荷。一期机房内主机、水泵等设备的位置及机房管路全部预留好，需要增加设备时，直接将设备接入系统即可［3］。地源热泵主机制冷标准工况：冷冻水供回水温度7 ℃/12 ℃，冷却水供回水温度：25 ℃/30 ℃；制热标准工况：冷冻水供回水温度10 ℃/5 ℃，热水供回水温度：45 ℃/40 ℃［4］。

北区地源热泵机房设备参数如表3 所示。

表3 北区地源热泵机房设备参数

北区机房一期系统需要用总电负荷约为525 kW。

南区系统机房最大用电功率：冬季最大用电负荷约为517．8 kW；夏季最大用电负荷约为431．2 kW。

2．2．2室外换热孔设计

由于本项目所处区域为永定河冲洪积扇中下部，第四系地层厚度约为75 m，为避免换热孔打穿第四系和基岩交界，对基岩地下水产生污染，换热孔采用深68 m 左右。冬季地埋管换热量为2．61 kW，测试孔深75 m，则折合每延米换热量为34． 9 W/m；夏季地埋管换热量为5．44 kW，折合每延米换热量为72．59 W/m。室外换热孔孔深73 m，地埋孔单孔设计为双U，钻孔直径为150 mm ～180 mm，换热孔孔间距为4．5 m；现阶段需要考虑二期预留换热孔，北区总冷负荷：2 587．98 kW，北区总热负荷2 521．96 kW，根据负荷估算计算所需地埋孔数量如下，富裕系数为1．05。夏季所需换热孔数为676 口，孔间距取4．5 m，地埋管布孔面积约13 689 m2；冬季所需换热孔数为790 口，孔间距取4．5 m，地埋管布孔面积约为15 997．5 m2。综上所述：北区（考虑预留）共需要换热孔总数为690 口，室外换热布孔孔面积约为13 973 m2，总的换热孔长度为50 370 m，换热孔主要布置在操场下面。

3 地质体地温场平衡计算分析

3．1 对应地质体的静储热

根据储量法计算浅层岩土体静热储，并评价系统年度运行条件下冷热负荷与静热储之间的均衡关系，计算面积按地埋管换热孔占地面积：南区换热孔共2 025 个，北区换热孔共690 个；本项目室外换热孔共2 715 个，每孔占地面积为20．25 m2，且在南区的南侧区域换热孔布置在建筑物的四周及内部，则计算区占地面积为54 979 m2，地质体厚度按73 m 计算，则：

其中，Qr为地质体中储存的热量，J；A为计算区面积，m2；d为地质体厚度，m；tr为地质体温度，℃；t0为计算基础温度，℃；C为地质体岩石和流体的平均比热容，J/（m3·℃）。

对包气带C=ρrCr（1 －φ） +ρgCgφ；

对饱水带：C=ρrCr（1 －φ） +ρwCwφ。

其中，ρr为热储岩土密度，kg/m3；Cr为热储岩土比热容，J/（kg·℃）；ρg为空气密度，kg/m3；Cg为空气比热容，J/（kg·℃）；ρw为水的密度，kg/m3；Cw为水的比热容，J/（kg·℃）；φ为岩石孔隙度（无量纲）。

3．1．1对包气带

查阅附近项目相关资料，根据相关参数得出：

C=ρrCr(1 －φ) +ρgCgφ=2．2 ×103×

1．12 ×103×(1 －0．4) +1．293 ×1．006 ×103×0．4 =

1．998 ×106J/( m3·℃) 。

Qr1=CAd(tr－t0) =

1．998 ×106×54 979 ×26．6 ×1 =

2．92 ×1012J。

3．1．2对包水带

查阅附近项目相关资料，根据相关参数得出：

C=ρrCr(1 －φ) +ρwCwφ=

2．13 ×103×1 ×103×(1 －0．4) +1．0 ×103×

4．2 ×103×0．4 =2．958 ×106J/( m3·℃) 。

Qr2=CAd(tr－t0) =

2．958 ×106×54 979 ×46．4 ×1 =7．55 ×1012J。

3．2 向地质体排放的冷热计算

夏季制冷时间为：每年5 月1 日～9 月30 日，共153 d，每年暑假假期为：每年7 月15 日～8 月25 日，假期时间为：42 d，暑假期间停止供冷，每年非暑假时间为：111 d；冬季供暖时间为：每年11 月1 日～次年3 月31 日，共151 d；寒假期间校区内的空调系统低温运行，寒假30 d，非寒假期间121 d 保证校区内正常供暖。

夏季供冷：非暑假期间供冷天数为111 d，热泵每天运行14 h（考虑图书馆、办公等区域不同使用要求），全负荷使用系数取0．5（整个供冷周期较长）；暑假期间停止供冷，但是考虑部分办公区域需要供冷，暑假期间（42 d）热泵每天运行8 h，全负荷使用系数取0．25；冬季供暖：非寒假期间供暖天数为：121 d，热泵每天运行24 h，全负荷使用系数取0．5（热泵供暖区域大都为教室、办公及图书馆等建筑，白天正常运行，夜晚保证低温运行）；寒假期间（30 d）热泵每天运行24 h，全负荷使用系数取0．3。

地源热泵运行1 a 地质体温度变化如表4 所示。