某醫(yī)院地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

□□ 芋艷梅 (山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

隨著人類科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)已探測(cè)到地表土壤和水體收集了47%的太陽(yáng)輻射能量，超過(guò)人類每年利用能量的500倍，是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器。同時(shí)，地表土壤和水體是一個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)能量平衡系統(tǒng)，可以使地表的土壤和水體能量發(fā)散和接受的相對(duì)均衡。這也使得人類利用儲(chǔ)存于地表土壤和水體的太陽(yáng)能或地表熱能得以實(shí)現(xiàn)。

地源熱泵是一種既可供暖又可制冷的新型中央空調(diào)系統(tǒng)，其利用淺層和深層的大地能量，包括地表土壤、地表水和地下水等天然能源作為夏季冷源和冬季熱源，然后再由熱泵機(jī)組為建筑物提供所需的冷量和熱量，工作原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。土壤源熱泵通過(guò)輸入少量的高品位能源(如電能)實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。地源能分別作為夏季空調(diào)冷源和冬季熱泵供暖熱源，在夏季把室內(nèi)的熱量輸送到地下去，大地作為容器把能量?jī)?chǔ)存起來(lái)；冬季把大地中的熱量“取”出來(lái)，通過(guò)機(jī)組少量做功，供給室內(nèi)采暖。

圖1 地?zé)嵩幢眉夹g(shù)工作原理

美國(guó)環(huán)境保護(hù)局曾報(bào)道，地源熱泵系統(tǒng)是當(dāng)前可使用且對(duì)環(huán)境最有效和友好的供冷、供熱系統(tǒng)。相比空氣熱泵系統(tǒng)和電采熱技術(shù)，地源熱泵系統(tǒng)比空氣熱泵系統(tǒng)節(jié)省能源40%以上，比電采熱技術(shù)節(jié)省能源70%以上?？梢姷卦礋岜孟到y(tǒng)是一種費(fèi)用較低且能向房屋供暖、供冷和提供生活熱水的空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)碳排放極低，是一項(xiàng)值得大面積推廣的建筑供能技術(shù)。

1 工程概況

該項(xiàng)目工程為某醫(yī)院辦公樓，位于山西省太原市。1棟門診樓，高度為40.8 m，樓層數(shù)為10層；1棟研究樓，高度為83.6 m，樓層數(shù)為26層，兩棟樓總建筑面積約為27 551 m2，帶地下停車場(chǎng)，外加1棟3層的模具間。經(jīng)地質(zhì)勘探，地下120 m內(nèi)無(wú)巖石，無(wú)其他建筑，土壤條件較好，符合地源熱泵打孔條件，決定采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)解決該醫(yī)院的夏季制冷和冬季采暖問(wèn)題。

2 方案編制依據(jù)及設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 依據(jù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

方案設(shè)計(jì)依據(jù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有：GB 50019—2015《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、GB 50243—2016《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》和2009JSCS-4《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施-暖通空調(diào)·動(dòng)力》。

2.2 供熱及供冷設(shè)計(jì)參數(shù)

參照當(dāng)?shù)貧庀蠼y(tǒng)計(jì)資料，供熱、供冷計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 供熱、供冷設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

3 設(shè)備選型及方案設(shè)計(jì)

根據(jù)建筑冷熱量的需求，考慮地埋管所能提供的冷熱量，經(jīng)計(jì)算后推薦選擇螺桿形式的地源熱泵主機(jī)作為制冷制熱主機(jī)，如圖2所示。

圖2 地?zé)嵩幢孟到y(tǒng)圖

從圖2可看出，地?zé)嵩幢玫墓ぷ髟頌椋涸谡舭l(fā)器和冷凝器兩側(cè)安裝有8個(gè)轉(zhuǎn)換閥門，通過(guò)轉(zhuǎn)換閥門進(jìn)行夏季和冬季切換。夏季時(shí)，用戶側(cè)和蒸發(fā)器連通，通過(guò)蒸發(fā)器散熱，熱量傳給冷凝器，冷凝器和地源側(cè)連通，通過(guò)冷凝器將熱量?jī)?chǔ)存到地源側(cè)；冬季時(shí)，地源側(cè)和蒸發(fā)器連通，地源側(cè)的熱量通過(guò)蒸發(fā)器散熱，傳遞給冷凝器，冷凝器和用戶側(cè)連通，通過(guò)冷凝器將熱量供給用戶側(cè)。蒸發(fā)器和冷凝器中流動(dòng)的是經(jīng)過(guò)軟化處理的自來(lái)水，整個(gè)過(guò)程以水為媒介，與土壤進(jìn)行熱量交換。

3.1 空調(diào)區(qū)域的負(fù)荷計(jì)算及主機(jī)選型

根據(jù)項(xiàng)目情況進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 項(xiàng)目負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，需要2臺(tái)克萊門特地源螺桿機(jī)PSRHH.C-Y2502，主機(jī)如圖3所示，主機(jī)設(shè)備參數(shù)見表3。根據(jù)表3，主機(jī)總制冷量為1 864 kW(932×2)，總制熱量為1 936 kW(968×2)，高于表2中項(xiàng)目所需的總冷負(fù)荷量為1 371 kW和總熱負(fù)荷量為1 790 kW，符合項(xiàng)目使用要求。

圖3 地源熱泵主機(jī)實(shí)物圖

表3 地源熱泵主機(jī)參數(shù)

3.2 末端設(shè)備參數(shù)

系統(tǒng)末端均為風(fēng)機(jī)盤管，根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，擬采用勞特斯風(fēng)機(jī)盤管257臺(tái)，其參數(shù)見表4。

從表4可以看出，主機(jī)可提供的總冷量和總熱量均大于末端需求量，符合設(shè)計(jì)要求。

表4 系統(tǒng)末端參數(shù)

3.3 地源側(cè)管道計(jì)算

該項(xiàng)目中，地源側(cè)管道采取閉式系統(tǒng)，系統(tǒng)采用軟化處理后的自來(lái)水作為循環(huán)水，不受地下水位和水質(zhì)等因素的影響，循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行周期長(zhǎng)。系統(tǒng)按豎直地埋管雙U管考慮，孔深為120 m，地源井所需打孔長(zhǎng)度=孔深×孔數(shù)，夏季單孔換熱按60 W·m-1考慮，冬季按36 W·m-1來(lái)考慮。

地源側(cè)管道計(jì)算依據(jù)式(1)～(4)計(jì)算。

Q冬=Q熱-P冬

(1)

Q夏=Q冷-P夏

(2)

L冬=Q冬/q冬

(3)

L夏=Q夏/q夏

(4)

式中：Q冬——冬季系統(tǒng)從地下提取熱量，kW；

Q熱——冬季主機(jī)空調(diào)熱負(fù)荷，kW；

P冬——冬季機(jī)組輸入功率，kW；

Q夏——夏季系統(tǒng)向地下排放熱量，kW；

Q冷——夏季主機(jī)空調(diào)冷負(fù)荷，kW；

P夏——夏季機(jī)組輸入功率，kW；

L冬——冬季從地下提取熱量所需的地源井總長(zhǎng)度，m；

L夏——夏季向地下排放熱量所需的地源井總長(zhǎng)度，m；

q冬——單位井深提取熱量，W·m-1，按36 W·m-1計(jì)；

q夏——單位井深排放熱量，W·m-1，按60 W·m-1計(jì)。

計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 地埋管計(jì)算值

根據(jù)式(2)和式(4)計(jì)算夏季所需的地埋管總長(zhǎng)L夏=(932+155)×2×1 000/60=36 233 m；根據(jù)式(1)和式(3)計(jì)算冬季所需的地埋管總長(zhǎng)L冬=(968-201)×2×1 000/36=42 611 m。

該項(xiàng)目綜合考慮夏季制冷和冬季制熱，確定井深為120 m，孔數(shù)為360個(gè)，總延米數(shù)為43 200 m，滿足冬季制熱量和夏季制冷量的需求。

3.4 地源側(cè)管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合其他地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)工程的經(jīng)驗(yàn)，要利用地下土壤為冷熱源，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅要考慮該建筑的現(xiàn)場(chǎng)施工條件和地下土壤結(jié)構(gòu)，還要結(jié)合建筑具體的工程實(shí)施情況，尤其是當(dāng)?shù)氐叵峦寥赖奈镄詤?shù)以及地質(zhì)條件情況。

根據(jù)該項(xiàng)目所在地的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和土壤成分，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，埋管區(qū)域設(shè)計(jì)在建筑基礎(chǔ)內(nèi)，減少室外埋管占地面積，室外地埋管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用雙U型的垂直耦合埋管，可提高埋管換熱效率。雙U型垂直耦合埋管換熱器如圖4所示。

圖4 雙U型垂直耦合埋管換熱器圖

3.5 機(jī)房設(shè)計(jì)與布置

機(jī)房布置在地下一層，設(shè)計(jì)有一級(jí)動(dòng)力配電柜、地源熱泵主機(jī)、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、補(bǔ)水箱、軟化水裝置及排水系統(tǒng)，各主要設(shè)備如圖5所示。其中循環(huán)泵分用戶側(cè)循環(huán)泵和地源側(cè)循環(huán)泵，二者的顏色不同。動(dòng)力配電柜負(fù)責(zé)為地源熱泵主機(jī)、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、排污泵等機(jī)房?jī)?nèi)其他設(shè)備供電。地源熱泵主機(jī)2臺(tái)，負(fù)責(zé)能量轉(zhuǎn)換，最終將冷量和熱量輸送給用戶側(cè)。循環(huán)泵共安裝8臺(tái)，用戶側(cè)4臺(tái)，每臺(tái)為22 kW，負(fù)責(zé)用戶側(cè)水循環(huán)，地源側(cè)4臺(tái)，每臺(tái)為15 kW，負(fù)責(zé)地源側(cè)水循環(huán)。補(bǔ)水泵2臺(tái)，分別為用戶側(cè)和地源側(cè)補(bǔ)水。補(bǔ)水箱作為用戶側(cè)和地源側(cè)補(bǔ)水的水源。排污泵主要對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)泄水、漏水等廢水進(jìn)行排放。

圖5 地源熱泵系統(tǒng)控制機(jī)房主要設(shè)備

4 應(yīng)用效果

地源熱泵技術(shù)在該醫(yī)院自2017年投入使用，已使用5年。總體運(yùn)行平穩(wěn)，符合設(shè)計(jì)要求。夏季室內(nèi)溫度可達(dá)到22～25 ℃；冬季室內(nèi)溫度可達(dá)到22～26 ℃，全年滿足溫、濕度要求。由于機(jī)組及系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，且不受外管網(wǎng)的影響，可自主決定供熱、制冷的時(shí)間。

與傳統(tǒng)空調(diào)相比較，其費(fèi)用優(yōu)勢(shì)如下：

(1)夏季所需總制冷量為1 371 kW。根據(jù)空調(diào)制冷量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，1P空調(diào)最大制冷量為2.5 kW，且1P功率為0.735 kW，空調(diào)的總輸入功率為：1 371×0.735/2.5=388 kW，使用效率為60%，則每月總用電量為：388×24×30×60%=167 616 kW·h。使用地源熱泵夏季的耗電量每月約為70 000 kW·h，低于空調(diào)制冷用電量。

(2)冬季所需總制熱量為1 790 kW。1P空調(diào)最大制熱量為最大制冷量的1.2倍，空調(diào)的總輸入功率為：1790×0.735/2 500×1.2=438 kW，使用效率為60%，則每月的總用電量為：438×24×30×60%=189 216 kW·h。使用地源熱泵的冬季耗電量每月約為80 000 kW·h，低于空調(diào)制熱用電量。

通過(guò)對(duì)比可以看出，地源熱泵是一種低能耗、高效率的空調(diào)系統(tǒng)，且不需要室外壓縮機(jī)或冷卻水塔，對(duì)建筑外觀不會(huì)有影響；地源熱泵需要的制冷劑比空調(diào)機(jī)組少50%，CO2排放量低，對(duì)環(huán)境的影響較低；地源熱泵系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，維護(hù)費(fèi)用較低，以該醫(yī)院的地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行為例，其每年的維護(hù)費(fèi)用約為100 000元，僅為同規(guī)格傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的1/3。

5 結(jié)語(yǔ)

地源熱是低污染和綠色環(huán)保的可再生能源之一，其設(shè)計(jì)靈活，可用于新建筑空調(diào)系統(tǒng)，也可以用于舊建筑改造，可以單一利用地源熱，也可以與其他工業(yè)余熱結(jié)合，或與太陽(yáng)能系統(tǒng)結(jié)合，在我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的征途上地源熱泵必將發(fā)揮更大的作用。