北方地區(qū)某中學(xué)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉峰 刁乃仁 李智勇 宗浩

北方地區(qū)某中學(xué)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉峰 刁乃仁 李智勇 宗浩

山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院

從學(xué)校建筑的建筑特點(diǎn)、功能特性、不同功用建筑使用時(shí)間的交錯(cuò)現(xiàn)象以及寒暑假等幾個(gè)方面，詳細(xì)分析了的學(xué)校建筑負(fù)荷特性。通過對(duì)各冷熱源方案的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性比較，并結(jié)合業(yè)主意見確定選擇地源熱泵系統(tǒng)。分析了地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的冷熱平衡問題，并對(duì)室外地埋管及熱泵機(jī)房設(shè)計(jì)作了簡(jiǎn)要介紹。

中學(xué)冷熱源地源熱泵地埋管換熱器

1工程概況

濟(jì)寧一中新校區(qū)建設(shè)地點(diǎn)位于山東省濟(jì)寧市。新校區(qū)總建筑面積約計(jì)176710m2，其中地上建筑面積為166771m2，整個(gè)校區(qū)主要分為教學(xué)區(qū)、行政辦公區(qū)、公共服務(wù)區(qū)、生活區(qū)等，其中有教學(xué)樓（6棟）、宿舍樓（6棟）、實(shí)驗(yàn)樓、食堂、風(fēng)味餐廳、圖書科技樓、藝術(shù)樓、報(bào)告廳、體育館等。最高建筑高度為39.5 m，制冷機(jī)房單獨(dú)設(shè)置在室外地下。

2負(fù)荷分析

根據(jù)室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)、各建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能以及使用特性，并考慮學(xué)校的寒暑假，按照間歇性空調(diào)運(yùn)行模式計(jì)算的各建筑的冷熱負(fù)荷結(jié)果如表1所示。

圖1濟(jì)寧一中新校區(qū)總平面圖

表1 各建筑冷熱負(fù)荷

對(duì)于學(xué)校尤其中學(xué)來說，各建筑的使用時(shí)間交錯(cuò)性非常明顯。教學(xué)區(qū)建筑如教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、圖書科技樓、藝術(shù)樓等使用時(shí)間基本一致，均為白天使用。由于中學(xué)學(xué)生管理的嚴(yán)格性和集中性，宿舍樓的使用時(shí)間正好和教學(xué)區(qū)建筑的使用時(shí)間形成互補(bǔ)，錯(cuò)時(shí)運(yùn)行。食堂、風(fēng)味餐廳的使用時(shí)間僅為間斷性的就餐時(shí)間。體育場(chǎng)的時(shí)間則具有不確定性。另外，本中學(xué)除對(duì)外交流中心和行政辦公樓以外的建筑寒暑假均停用，各建筑具體的使用時(shí)間如表2。

表2各建筑使用時(shí)間

由于學(xué)生課程管理的特性，教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、圖書科技樓、藝術(shù)樓等建筑的同時(shí)使用率各不相同且都小于100%。各建筑具體的同時(shí)使用系數(shù)如圖2所示。

圖2各建筑不同時(shí)刻的同時(shí)使用系數(shù)

考慮到教學(xué)區(qū)建筑、宿舍樓、食堂及體育館等建筑使用時(shí)間的交錯(cuò)性并在寒暑假期停止使的特性，將單獨(dú)設(shè)置一冷熱源（冷熱源1）對(duì)上述建筑進(jìn)行集中供熱制冷以減小裝機(jī)容量。機(jī)組的裝機(jī)容量將根據(jù)上述建筑的計(jì)算負(fù)荷并考慮到各建筑在不同時(shí)刻的同時(shí)使用系數(shù)進(jìn)行疊加計(jì)算（圖3～4），并將疊加最大值作為設(shè)計(jì)依據(jù)。對(duì)于使用率較高且全年連續(xù)運(yùn)行的行政辦公樓和對(duì)外交流中心另設(shè)置冷熱源（冷熱源2）進(jìn)行集中供熱制冷。通過疊加得到的冷熱源1的最大冷負(fù)荷為10948kW，最大熱負(fù)荷為10080kW；冷熱源2的最大冷負(fù)荷為1198kW，最大熱負(fù)荷為1244kW。

圖3寒暑假期停用建筑疊加冷負(fù)荷

圖4寒暑假期停用建筑疊加熱負(fù)荷

3空調(diào)冷熱源方案的選擇

根據(jù)該建筑的市政資源條件、場(chǎng)地條件、建筑功能及負(fù)荷特點(diǎn)，對(duì)有可能適合本項(xiàng)目的冷熱源方案進(jìn)行了比較分析（表3）。

表3冷熱源方案比較

根據(jù)各方案的技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性比較可以看出，方案1以地源熱泵系統(tǒng)作為冷熱源具有較好的節(jié)能效果，初投資較高但運(yùn)行費(fèi)用低；方案2以冷水機(jī)組+鍋爐房作為冷熱源，運(yùn)行簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，初投資費(fèi)用最低但運(yùn)行費(fèi)用很高，且污染嚴(yán)重；方案3以VRV系統(tǒng)作為冷熱源，初投資費(fèi)用最高，運(yùn)行費(fèi)用也比較高，節(jié)能效果不明顯。通過以上的比較并結(jié)合業(yè)主對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的慎重考察，決定采用方案1。地源熱泵系統(tǒng)符合當(dāng)前國(guó)家節(jié)能減排的方針政策，且運(yùn)行穩(wěn)定、運(yùn)費(fèi)較低，相對(duì)于方案2來說回收期為8.4年，按照地源熱泵系統(tǒng)50年的壽命從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，其具有相當(dāng)高的經(jīng)濟(jì)效益。

4地埋管熱平衡分析

地源熱泵是一種利用大地作為冷熱源的熱泵，通過熱泵機(jī)組對(duì)建筑物實(shí)現(xiàn)供熱、制冷。地下蓄熱體的冷熱平衡對(duì)于地源熱泵系統(tǒng)的長(zhǎng)期、高效的運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。

結(jié)合本中學(xué)的實(shí)際情況，假定冷熱源1夏季運(yùn)行天數(shù)為50天，冬季運(yùn)行天數(shù)為70天；冷熱源2夏季運(yùn)行天數(shù)為90天，冬季運(yùn)行天數(shù)為120天，機(jī)組運(yùn)行系數(shù)取0.7，每天的使用時(shí)間參照表2，運(yùn)行負(fù)荷參照?qǐng)D2～4。

夏季向土壤排放熱量：

式中：Qc為日累加冷負(fù)荷，根據(jù)夏季各建筑使用時(shí)間及運(yùn)行負(fù)荷疊加累計(jì)；n為運(yùn)行天數(shù)；α為機(jī)組運(yùn)行系數(shù)；copc為機(jī)組夏季制冷能效比，取5.0。

經(jīng)計(jì)算：Qp=7272045kWh。

冬季從土壤吸取熱量：

式中：Qh為日累加熱負(fù)荷，根據(jù)冬季各建筑使用時(shí)間及運(yùn)行負(fù)荷疊加累；coph為機(jī)組冬季制熱能效比，取4.0。

經(jīng)計(jì)算：Qx=6580363kWh。

從上述結(jié)果可看出，地下釋熱量略大于從地下吸取熱量，不平衡率為9.5%。地下的溫度變化總體上呈緩慢上升的趨勢(shì)，對(duì)山東地區(qū)來說，這有利于冬季的供暖。值得注意的是，即使設(shè)計(jì)工況為理想工況，即地下巖土的取熱與散熱在一個(gè)周期內(nèi)達(dá)到平衡，但在實(shí)際運(yùn)行中，地下巖土的年吸、釋熱量并非要求絕對(duì)的平衡，模擬設(shè)計(jì)結(jié)果表明不平衡率在±15%以內(nèi)是可以接受的。

5地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1室外地埋管設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的冷熱負(fù)荷、巖土熱物性測(cè)試報(bào)告及當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件，采用“地?zé)嶂恰蹦M軟件對(duì)該地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)采用豎直雙U型De32地埋管，管材HDPE100。為了加強(qiáng)管群換熱的強(qiáng)度，鉆孔間距與行距設(shè)為5m。考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件及鉆孔難度，鉆孔設(shè)計(jì)深度為100m，鉆孔數(shù)為2430個(gè)，豎直地埋管總長(zhǎng)度為243000m，孔徑150mm。水平主干管采用同程式連接方式，豎直埋管采用并聯(lián)方式，4或6個(gè)鉆孔組成一個(gè)水平環(huán)路并以聯(lián)箱連接，就近通過鋼塑轉(zhuǎn)換接頭連接到室外分集水器，共分409組。

圖5 4個(gè)鉆孔環(huán)路連接示意圖

圖6 6個(gè)鉆孔環(huán)路連接示意圖

5.2地源熱泵機(jī)房設(shè)計(jì)

根據(jù)疊加所得到的冷熱源1和冷熱源2的最大冷、熱負(fù)荷，設(shè)計(jì)冷熱源1設(shè)置3臺(tái)熱泵機(jī)組，單機(jī)制冷量為3664kW，制熱量為4006kW；冷熱源2設(shè)置2臺(tái)熱泵機(jī)組，單機(jī)制冷量為609kW，制熱量為664 kW。地源側(cè)冬季供回水溫度為8℃/4℃，夏季供回水溫度為26℃/30℃；空調(diào)側(cè)冬季供、回水溫度為45℃/40℃，夏季供、回水溫度為7℃/12℃。熱泵機(jī)組與地源側(cè)循環(huán)水泵、空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，循環(huán)水泵冬夏季共用。地源熱泵系統(tǒng)原理圖如圖7所示。

圖7冷熱源1系統(tǒng)原理圖

節(jié)、控制，達(dá)到中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的平衡，保證空調(diào)遠(yuǎn)端用戶送風(fēng)量，保證不因?yàn)轱L(fēng)阻加大，影響空調(diào)效果。

4工程效果

項(xiàng)目于2012年11月開展，歷時(shí)45天，共完成89套靜音箱和風(fēng)管改造。改造之后對(duì)各房間再次進(jìn)行了噪聲監(jiān)測(cè)（表2），房間噪聲明顯降低，工作和休息環(huán)境得以明顯改善。

表2生活樓部分房間噪聲強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果及評(píng)價(jià)

[1]高紅武.噪聲控制技術(shù)(第2版)[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2009

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[4]盛美萍,王敏慶,孫進(jìn)才.噪聲與振動(dòng)控制技術(shù)基礎(chǔ)(第2版) [M].北京:科學(xué)出版社,2001

Optim iza tion De s ign of Ground-Sourc e He a t Pum p Sys te m for a Middle Sc hool in Northe rn China

LIU Feng,DIAO Nai-ren,LI Zhi-yong,ZONG Hao
School of Thermal Engineering,Shandong Jianzhu University

Architectural characteristics,functional characteristics,service time stagger phenomenon of different utility buildings,winter and summer vacation were all concerned to analysis the cold and heat load characteristic of school buildings.Combined the technical and economical comparison of different heat and cold source schemes with the owners’opinions,ground-source heat pump system was choose as the cold and heat source.The cold and heat balance of ground heat exchanger was analyzed,and the design of the outdoor buried pipe and the heat pump equipment room was briefly introduced.

middle school,cold and heat source,ground-source heat pump,ground heat exchanger

1003-0344（2014）05-092-4

2013-8-19

劉峰（1988～），男，碩士研究生；山東省濟(jì)南市山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院（250101）；E-mail:liufeng2128@163.com

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃子課題（2012BAJ06B03-01）