北京某会所地源热泵系统方案优化设计

1、9()建筑热能通风空调2012 年Vol.3I No.2Apr. 2012.89-91文章编号:1003-0344( 2012)02-89.4北京某会所地源热泵系统方案优化设计赵冀-北京兴隆置业有限公司摘要:北京某会.听5000m采用地源热泵系统。本文通过全年负荷模拟片算和地下温度场数值模拟分析两种途 径，结介部分工程的热泵机组和输配系统的实际运行效能，优化方案设计并校核设备选型,提高地源热泵系统的 安全可靠性，从而达到不进行其他模式冷源或热源备份的目的。关键词:土壤源热泵地埋管地F热平衡热堆积效应Design Optimization of Ground Source Heat Pump S

2、ystem for one ClubBuildingZHAO JiBeijing Xinglong Estate Co., Ltd.Abstract: This club building is five thousand meters and equipped with ground source heat pump system (GSHP). In order to reduce initial equipment investment and guarantee the energy efficiency, this article proposed whole year energy

3、 simulation and the annual consumption was analyzed Ground source heat accumulation effect was accurately predicted with the help of simulation toolkits FLUENT. The investigation of real GSHP projects * perfbnnance data was carried out to low down the risk ofsystem.Keywords: Ground Source Heat Pump

4、(GSHP), underground vertical U*tube closed-loop, thermal status stabilization, ground source heat accumulation effect9()建筑热能通风空调2012 年9()建筑热能通风空调2012 年收稿日期:2011-9-23作者简介:赵英（1967J女大专，工程师;北京市东城区崇外大街9号正仁大厦十二层北京兴隆置业有限公司（100062）;01067092354；E-mail: zhaoji_2001项目为位于北京市枯平区的一栋5000m2的会 所,包括地层为游泳池、健身中心及设备用房，地

5、 上二层商业、物业及社区管理用房等。系统设计选用 地源热泵方案，地勘资料表明地下是高角度张性断 裂,具有导热导水作用.该断裂带宽,切割深度大, 程所在场地区域内一条輩要的导热通道°项口所在区 域存在较大的地下水流动，单井涌水量-般ff. 1500- 3000m7d左右，地源热泵系统主要埋深范围内冇二个 主要含水层组，每个含水层组有13个含水层。1负荷计算根据建筑的围护结构热工性能和会所的使用习 惯，按照间歇空调模式，新风采用热回收机组，冷负荷 计算结果如下表所示。表1冷负荷计算结果SOIfJI2SS.OO$7.40表2热负荷计算结果<kW>'S0I1712口 23

6、I 册 CDSS M37 06供暖负荷汁算连续供暖与间歇供暖的两种模式 下的数值，间歇模式是为了考虑业主突然氏时间外岀, 返回到会所时的机组容以，空调热负荷计算结果如表2所示。图1为该建筑极热H工况一的冷负荷在一天24 小时内的变化情况，由图可以看出，蜂值出现在下午 三点，达到288.00kWo建筑的全年冷热负荷模拟结果 如下图2所示.年冷鈕需求为193905.00kWh0图3为 该建筑连续空调热负荷在该气象条件下24小时的变 化情况，由图可以看出，峰值同样岀现在7时。建筑物 的全年热负荷结果按照连续空调整理。模拟结果如图 4所示，新风热回收工况时的年空调热负荷为 226255.42kWh；,

7、图1极热日逐时冷负荷图2逐时冷负荷10%20%的安全系数,确定打孔数为63个叫热泵机组的选型考虑土壤热平衡进行如下三方 面优化：1）依据地勘测试报告:会所所在地夏季土壤未扰 动温度为16.3-C 冬季土壤未扰动温度为15t,地F 换热孔夏季和冬季的换热测试结果为62W/m和 44W/m,冬夏换热强度为1.4:lo2）会所从土壤的换热量夏季取冷址与冬季取热呈 为2.07:1,夏季与冬季运行时间1:1.41,即夏季与土壤 的平均换热强度是冬季与土壤平均换热强度的2.9 倍°3）提高夏季与土壤换热的温差，通过迭代计算，推 荐夏季地源侧供回水温度32/28-C .与土壤的温差 13.7-C，

8、冬季的地源侧供回水温度4/8-C 与土壤的换 热温差9.1to地下侧水泵流量计算则进行如下优化：1）从热泵安全角度而言，为了防止气堵现象水流 流速不低T04m/s;2）地下侧水流不同，系统与土壤的换热强度也不 同，一般不应超过0.8m/s,超过0.8m/s以后其换热效 果增加幅度明显变小。3）结合地下换热模拟分析结果迭代计算夏季地 下侧水泵流吐，地下换热流扯为75m3/h,冬季为60 mVh,通过变频或者阀门调节，改变水泵流帰。依照优化结论热泵机房内主要设备选型见F表。9()建筑热能通风空调2012 年"""打*#2打"/打"图3连续空调极冷日

9、热负荷（新风热回收工况）表3新风热回收工况时的地源热泵/Ml*枚0M秽HI 沁*'02rw则sow加i5WK.WHWl.啊 3加2水y可Q休乃nMiEh空畑DEM29()建筑热能通风空调2012 年图4连续空调逐时热负荷（新风热回收工况）2 室外埋管设计与热泵系统设备选型参照地温勘查评价报告数据和前期测试结果，确 定室外打孔间距为5.5m,有效埋管孔深120m,采用双 U系统，埋管管径32mm，计算室外打孔数目，考虑3全年运行能耗及地下热平衡校验以全年负荷模拟数据为依据进行地F热平衡校 核。为了降低冬夏不平衡的差异，采用两种方法优化 方案3）：1）对新风进行热冋收处理,降低系统对地F

10、土壤 冷热需求的绝对值；2）采用实际系统运行效率计算夏季地下蓄热与冬 季地下養冷，以同类丁程实测数据为基础，包括循环水 泵散热址彫响。丁程实践表明，土壤源热泵系统实际 运行效率仅为额定效率的50%左右实际运行过程从 94 建筑热能通风空调2012 年土壤中提取的冷热虽超出预期的一倍。图7冬于换热温度模拟曲线供热期：11月1日至次年3月31日供冷期：6月 1日9月15日，对新风进行热回收处理工况F,会所 全年累计供冷量为689.06GJ,供冷指标为137.30 MJ/m2,累计供热就为814.52GJ,供热指标为 153.37MJ/m2o地源热泵机组与土壤的换热量取决T 会所建筑本身的冷热试需求

11、以及机组设备性能，后者 包括热泵主机效率、埋管侧水泵的电功耗、部分负荷 率机组的性能下隆、常年运行机组设备性能F降等因 素，if算结果为夏季累计取冷量91&75GJ,冬季累计 取热蚩488.71GJ。4利用数值模拟校核系统选型与地下热堆 积效应 94 建筑热能通风空调2012 年 94 建筑热能通风空调2012 年地勘热响应测试获得的土壤温度作为CFD计算 模型的初始输人条件T,夏季土壤的初始温度为 16.12-C,冬季土壤初始温度为15V?。将整个夏季空 调制冷季节和冬李采暖供热季节逐时负荷输入模型, 优化地下侧进水温度，算出夏季土壤温度不断升高过 程中累计取冷虽，以及冬季土壤温度不

12、断降低过程中 累计取热量。模拟结果如图5图8所示.夏季土壤温 度在计算了 300小时后趋于稳定，土壤温度为30'C , 冬季土壤温度在il算了 350小时候趙丁稳定，土壞温 度为69。窮图5夏季换热温度模拟曲线（匕）图8冬季换热孔周边土壤温度通过多种工况的校核，夏季地下换热侧温度建议 取28°C32C，管内流速0.45m/s,流址为150m3/h，换 热孔的换热量为7087W,平均到120m后，换热锻为 59W/m0冬季世下侧换热温度建议取4-C-8-C，管内流 速0.35m/s,流虽为120m3/h,换热孔的换热量为 4709W,平均到120m后，换热駁为39W/m0此数据

13、作 为热泵机组和地下侧水泵的选型依据。考虑有地F水流状况的热堆积效应，北京地区的 地下水流一般为1550m/y，倘若水流速度达到年 50m,地下温度场口平衡能力很强,不倚要进行热堆积 效应实验。选拯15m悄况进行土壤热堆积效应模拟计 算，结果表明35年后七壤温度即可形成动态稳定, 土壤平均温升为0.3C , 土壤温升对地源热泵地下换热 器构成的影响较小,不会对系统产生重要影响。图6夏季换热孔周边温度本文是某会所地源热泵系统方案优化，在热泵设 备选型中参照数值模拟分析，考虑土壤传热对换热效 果的影响;提出利用实际运行效率校核土壤热平衡，并 利用CFD模型进行热堆积校验，完成如下三方工作：1）会所

14、建筑全年逐时负荷详细计算。2）确定地埋换热孔的数址、范围布1S。根据地质 热物性勘察分析报皆以及周边环境，合理布局地源 热泵系统室外地埋换热孔。并对埋深和数址做必要的 分析。（下转94页）5结论毎初股资+(运行费金沪费”琲金、貝瓦=丽冷+檢禺竺话玮水船毀戶殛(1)如表4所示,水冷机组与电热水器的方案的寿命 周期内费效比为1266.4 jc/GJ,风冷热泵为1417.1元/ GJ,在满足相同的服务质量下，每提供一份能鼠后者 比前者多投人12%。风冷机组方案每年的综合投入为 211万元水冷机组方案每年的综合投入为189万元, 后者节省22万元。建筑寿命内风冷机组方案总投入 为10562万元，水冷机

15、组方案总投入为9439万元，后 者节约1123万元。表4两种方案综合费效比界冷於H贰。凰电蚪冰B中央PS筠JRtl立热水祈 12条43?.3*»8M6 2*4K更妙*)2S15(GJ>10941(4制汛®*(oj>(25*)!0?7*IU卑命展韵内N行竇(力元4056 2(2S>2474.S(I5<F)与*绷“內0用(万尢、<15*>4效比(XXJ)1266 4MI7.I4.2综合运行效果比较对风冷和水冷中央空调两种方案进行分析，在实 际运行过程中两种方案均存在运行不当的问题。相对 而育，可以得出如下结论：丨)表面看上，风冷机组集成度高，

16、系统简单，水冷 冷水机组运行维护比风冷热泵复杂。而冃前物业管理 人员水平一般对于自控集成度较高的风冷机组，不 懂得或者“不敢”去操作优化，平时仅启停机组,遇到问 题便需要厂家来解决，反而带来了运行保养费用的升 高。而水冷机组集成度低，物业管理人员可以根据天 气状况控制冷却塔开启台数，根据湿度调节冷机冷水 出口水温，这些自发的简单的操作，便町以实现了显 若的节能效益(卅。2) 水冷冷水机组实际运行性能比风冷热泵高，从 实测效果来看，风冷机组的实际运行性能衰减较快, 同一个项冃同一时段测试发现水冷机组实际制冷效 率是风冷机组的2倍；上海某办公楼在节能改造过程 中,将部分风冷机组更换为水冷机组。3)

17、 从气候持征来看,风冷机组更适合在南方地区 来用，夏李炎热潮湿的时段较长，而北方尤其是北京 地区,夏季“桑拿天”延续时间短，夏季大部分时间处于 温度校高、但是空气较为干燥的状况，更适合水冷冷 水机组的节能运行。4) 从项目规模来看,风冷机组适合小规模项目,风 冷机组发展初期多以模块涡旋机组为主,噪音低近年 来出现容蛀较大的螺杆风冷热泵机组,应用在中等规 模的项目上，额定制冷效率为3左右。水冷螺杆式机组 与离心式冷机发展趋于成熟，很难找到效率更高的替 代品，制冷效率至少在4.1以上。5) 从适用范围来看，风冷机组更适合在改造项H 中采用，没有多余的机房空间、安装空间以及吊装孔等 来安置水冷机组，

18、从而选用风冷机组放在屋顶上。6) 由于风冷热泵与水冷冷水机组均是中央空调的 冷源，英输配系统(冷冻水泵)和室内末端(风机盘管和 新风机组)的调节方式相同，对建筑使用者而言不存 在舒适度的基异，换而言之，两种系统服务质虽相同。参考文献11薛志峰大世公共建筑节能研究D.北京:清华大学,2005 (21薛志峰，江亿北京市大型公共建筑用能现状与节能潜力分析J.暧通空调,2004,34(9): 8-103 金破楼宇设备设施观范化管理方法研究D.北京:涓华大学, 20064 利云飞空气源热泵型空调系统设计及工程实例分析卩制冷, 2003, (3): 47-505 韩星，马克华,億怡平，等采用空气源热泵的办公建筑空调系统 运行检诙和节能分析卩.暧通空调,2010,(6)： 157-164(上接91如3) 地下热平衡分析。根据会所运营的负荷、时间 等特性，计算分析地埋换热孔的地下土壤热平衡问 题，包括单个地埋换热孔、单列地埋换热孔的历年土壤 热堆积效应计算分析。通过上述优化分析，本项目经35年后土壤温度 即可