北方地區(qū)某中學地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設計

劉峰 刁乃仁 李智勇 宗浩

北方地區(qū)某中學地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設計

劉峰 刁乃仁 李智勇 宗浩

山東建筑大學熱能工程學院

從學校建筑的建筑特點、功能特性、不同功用建筑使用時間的交錯現(xiàn)象以及寒暑假等幾個方面，詳細分析了的學校建筑負荷特性。通過對各冷熱源方案的技術性、經(jīng)濟性比較，并結合業(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，并對室外地埋管及熱泵機房設計作了簡要介紹。

中學冷熱源地源熱泵地埋管換熱器

1工程概況

濟寧一中新校區(qū)建設地點位于山東省濟寧市。新校區(qū)總建筑面積約計176710m2，其中地上建筑面積為166771m2，整個校區(qū)主要分為教學區(qū)、行政辦公區(qū)、公共服務區(qū)、生活區(qū)等，其中有教學樓（6棟）、宿舍樓（6棟）、實驗樓、食堂、風味餐廳、圖書科技樓、藝術樓、報告廳、體育館等。最高建筑高度為39.5 m，制冷機房單獨設置在室外地下。

2負荷分析

根據(jù)室內(nèi)外設計參數(shù)、各建筑圍護結構的熱工性能以及使用特性，并考慮學校的寒暑假，按照間歇性空調(diào)運行模式計算的各建筑的冷熱負荷結果如表1所示。

圖1濟寧一中新校區(qū)總平面圖

表1 各建筑冷熱負荷

對于學校尤其中學來說，各建筑的使用時間交錯性非常明顯。教學區(qū)建筑如教學樓、實驗樓、圖書科技樓、藝術樓等使用時間基本一致，均為白天使用。由于中學學生管理的嚴格性和集中性，宿舍樓的使用時間正好和教學區(qū)建筑的使用時間形成互補，錯時運行。食堂、風味餐廳的使用時間僅為間斷性的就餐時間。體育場的時間則具有不確定性。另外，本中學除對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間如表2。

表2各建筑使用時間

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

圖2各建筑不同時刻的同時使用系數(shù)

考慮到教學區(qū)建筑、宿舍樓、食堂及體育館等建筑使用時間的交錯性并在寒暑假期停止使的特性，將單獨設置一冷熱源（冷熱源1）對上述建筑進行集中供熱制冷以減小裝機容量。機組的裝機容量將根據(jù)上述建筑的計算負荷并考慮到各建筑在不同時刻的同時使用系數(shù)進行疊加計算（圖3～4），并將疊加最大值作為設計依據(jù)。對于使用率較高且全年連續(xù)運行的行政辦公樓和對外交流中心另設置冷熱源（冷熱源2）進行集中供熱制冷。通過疊加得到的冷熱源1的最大冷負荷為10948kW，最大熱負荷為10080kW；冷熱源2的最大冷負荷為1198kW，最大熱負荷為1244kW。

圖3寒暑假期停用建筑疊加冷負荷

圖4寒暑假期停用建筑疊加熱負荷

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、場地條件、建筑功能及負荷特點，對有可能適合本項目的冷熱源方案進行了比較分析（表3）。

表3冷熱源方案比較

根據(jù)各方案的技術性與經(jīng)濟性比較可以看出，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，初投資較高但運行費用低；方案2以冷水機組+鍋爐房作為冷熱源，運行簡單、技術成熟，初投資費用最低但運行費用很高，且污染嚴重；方案3以VRV系統(tǒng)作為冷熱源，初投資費用最高，運行費用也比較高，節(jié)能效果不明顯。通過以上的比較并結合業(yè)主對地源熱泵系統(tǒng)的慎重考察，決定采用方案1。地源熱泵系統(tǒng)符合當前國家節(jié)能減排的方針政策，且運行穩(wěn)定、運費較低，相對于方案2來說回收期為8.4年，按照地源熱泵系統(tǒng)50年的壽命從長遠來看，其具有相當高的經(jīng)濟效益。

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，通過熱泵機組對建筑物實現(xiàn)供熱、制冷。地下蓄熱體的冷熱平衡對于地源熱泵系統(tǒng)的長期、高效的運行起到至關重要的作用。

結合本中學的實際情況，假定冷熱源1夏季運行天數(shù)為50天，冬季運行天數(shù)為70天；冷熱源2夏季運行天數(shù)為90天，冬季運行天數(shù)為120天，機組運行系數(shù)取0.7，每天的使用時間參照表2，運行負荷參照圖2～4。

夏季向土壤排放熱量：

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

經(jīng)計算：Qp=7272045kWh。

冬季從土壤吸取熱量：

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

經(jīng)計算：Qx=6580363kWh。

從上述結果可看出，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，對山東地區(qū)來說，這有利于冬季的供暖。值得注意的是，即使設計工況為理想工況，即地下巖土的取熱與散熱在一個周期內(nèi)達到平衡，但在實際運行中，地下巖土的年吸、釋熱量并非要求絕對的平衡，模擬設計結果表明不平衡率在±15%以內(nèi)是可以接受的。

5地源熱泵系統(tǒng)設計

5.1室外地埋管設計

根據(jù)系統(tǒng)的冷熱負荷、巖土熱物性測試報告及當?shù)氐牡刭|條件，采用“地熱之星”模擬軟件對該地源熱泵系統(tǒng)進行設計模擬。根據(jù)模擬結果，設計采用豎直雙U型De32地埋管，管材HDPE100。為了加強管群換熱的強度，鉆孔間距與行距設為5m?？紤]當?shù)氐牡刭|條件及鉆孔難度，鉆孔設計深度為100m，鉆孔數(shù)為2430個，豎直地埋管總長度為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個鉆孔組成一個水平環(huán)路并以聯(lián)箱連接，就近通過鋼塑轉換接頭連接到室外分集水器，共分409組。

圖5 4個鉆孔環(huán)路連接示意圖

圖6 6個鉆孔環(huán)路連接示意圖

5.2地源熱泵機房設計

根據(jù)疊加所得到的冷熱源1和冷熱源2的最大冷、熱負荷，設計冷熱源1設置3臺熱泵機組，單機制冷量為3664kW，制熱量為4006kW；冷熱源2設置2臺熱泵機組，單機制冷量為609kW，制熱量為664 kW。地源側冬季供回水溫度為8℃/4℃，夏季供回水溫度為26℃/30℃；空調(diào)側冬季供、回水溫度為45℃/40℃，夏季供、回水溫度為7℃/12℃。熱泵機組與地源側循環(huán)水泵、空調(diào)側循環(huán)水泵一一對應設置，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，達到中央空調(diào)通風系統(tǒng)的平衡，保證空調(diào)遠端用戶送風量，保證不因為風阻加大，影響空調(diào)效果。

4工程效果

項目于2012年11月開展，歷時45天，共完成89套靜音箱和風管改造。改造之后對各房間再次進行了噪聲監(jiān)測（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度檢測結果及評價

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

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[4]盛美萍,王敏慶,孫進才.噪聲與振動控制技術基礎(第2版) [M].北京:科學出版社,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；山東省濟南市山東建筑大學熱能工程學院（250101）；E-mail:liufeng2128@163.com

“十二五”國家科技支撐計劃子課題（2012BAJ06B03-01）