某辦公大樓地源熱泵三聯(lián)供系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方案

1、世博園內(nèi)某辦公大樓地源熱泵三聯(lián)供系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方案工程概述該指揮辦公樓地處上海世博園內(nèi)，樓高四層，大樓總建筑面積3136平方米，室內(nèi)空調(diào)面積約為2384平方米。該建筑設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷450KW，熱負(fù)荷為330KW，同時(shí)使用系數(shù)0.7，熱水日需求量約8T。要求對(duì)該辦公室夏季供冷，冬季供熱，全年供生活熱水。2007年6月至2008年5月，完成整個(gè)辦公樓地源熱泵中央空調(diào)工程施工，2008年10月正式投入使用，辦公室空調(diào)及熱水系統(tǒng)運(yùn)行正常，得到了多方好評(píng)。室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)及依據(jù)方案設(shè)計(jì)在空調(diào)冷熱源確定的過(guò)程中,提出了多個(gè)方案 ,經(jīng)論證后選用地源熱泵三聯(lián)供節(jié)能系統(tǒng)。以下是對(duì)三個(gè)方案進(jìn)行的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析與比較。方案

2、一：常規(guī)螺桿式冷水機(jī)組加燃?xì)鉄崴仩t系統(tǒng)。即選用2臺(tái)單機(jī)制冷量163KW的螺桿式冷水機(jī)組作為空調(diào)冷源, 選用1臺(tái)供熱量280KW的燃?xì)忮仩t作為冬季空調(diào)熱源 ,同時(shí)供應(yīng)生活熱水。方案二：常規(guī)風(fēng)冷熱泵機(jī)組加熱泵熱水機(jī)組。即選用2臺(tái)單機(jī)制冷量160KW風(fēng)冷冷熱水機(jī)組作為空調(diào)冷熱源。選用一臺(tái)制熱量為42KW風(fēng)冷熱泵熱水機(jī)組供應(yīng)生活熱水。方案三：地源熱泵三聯(lián)供空調(diào)系統(tǒng)。即選用2臺(tái)制冷量165kW，熱回收量50.8KW的地源熱泵熱泵機(jī)組作為空調(diào)冷熱源。在制冷及供暖季節(jié)，由熱回收供應(yīng)生活熱水。選用一臺(tái)制熱量為42KW地源熱泵熱水機(jī)組在過(guò)渡季節(jié)供應(yīng)生活熱水及在空調(diào)負(fù)荷較低時(shí)作補(bǔ)充熱源。地埋管換熱器使用年限50

3、年。綜上所述，方案三與方案一、方案二相比，方案三具有如下特點(diǎn)：(1)熱水成本低：以每年3000噸熱水加熱為例(約8噸/天)，采用地源熱泵三聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行用，相當(dāng)于燃?xì)忮仩t加熱費(fèi)用的33%，相當(dāng)于空氣源熱泵熱水機(jī)的25%;(2)采暖、制冷運(yùn)行費(fèi)用低，地源熱泵三聯(lián)供系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用比常規(guī)冷水機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約10萬(wàn)元，比空氣源熱泵熱水機(jī)節(jié)約16萬(wàn)元;(3)環(huán)保效果顯著：地源熱泵三聯(lián)供系統(tǒng)夏季可以充分利用室內(nèi)空氣廢熱制取熱水，利用土壤的低位熱能制冷，冬季也利用土壤的低位熱能制熱水和采暖，節(jié)省大量能源，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。由此可知，采用三聯(lián)供冷熱水地源熱泵機(jī)組的方案為最佳。項(xiàng)目創(chuàng)新特點(diǎn)地源熱泵中央空調(diào)系

4、統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的難點(diǎn)，主要在于地埋管換熱器傳熱模型的研究及強(qiáng)化傳熱的措施,以減小鉆孔總深度，節(jié)省地下埋管費(fèi)用。地下?lián)Q熱量與土壤特性與埋地?fù)Q熱器耦合作用的熱特性而決定,隨著負(fù)荷的變化，系統(tǒng)換熱量也是動(dòng)態(tài)變化的。因此，把憑經(jīng)驗(yàn)所得的單位深度換熱量直接用于工程設(shè)計(jì)的做法是不合理的。為進(jìn)一步保證地源熱泵系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，避免地埋管系統(tǒng)換熱不足，在設(shè)計(jì)中我們采用三維換熱模型進(jìn)行計(jì)算。地質(zhì)結(jié)構(gòu)為了取得合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，避免走入采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤區(qū)，我們對(duì)工程地質(zhì)進(jìn)行了取樣分析，以進(jìn)一步確定地埋管換熱器實(shí)際換熱效果和保證系統(tǒng)的節(jié)能最大化。其綜合地質(zhì)情況如下表：條件假設(shè)由于 U 型豎直埋管地下?lián)Q熱器的幾何形狀和土壤

5、傳熱的復(fù)雜多樣性 ,建立能精確模擬所有實(shí)際情況的模型并求解 ,以現(xiàn)有計(jì)算條件來(lái)說(shuō)幾乎不可能 ,所以要做必要的簡(jiǎn)化,特做以下假設(shè):(1)忽略 U 型管周圍土壤沿深度方向的傳熱 ,只考慮在水平方熱傳遞;(2)土壤均勻,而且在整個(gè)傳熱過(guò)程中土壤的熱物性穩(wěn)定;(3)忽略 U 型管管壁與回填土、回填土與土壤之間的接觸熱阻;(4)忽略地表溫度波動(dòng)對(duì)土壤溫度的影響 ,認(rèn)為土壤溫度均勻一致;(5)管內(nèi)同一截面的流體溫度和速度相同;(6)不考慮 U 型管底部彎管的影響 ?？刂品匠逃捎诘芈窆艿叵?lián)Q熱器流體為保證較好的換熱效果，流體一般都處于湍流狀態(tài)，因此采用三維模擬時(shí)，選用 雙方程模型來(lái)求解管中水的流動(dòng)和傳熱，并

6、將能量方程與回填土和土壤中的傳熱過(guò)程耦合。模擬實(shí)例在每周五天工作，每天工作時(shí)間均為8小時(shí)的運(yùn)行條件下，采用數(shù)值模擬方法計(jì)算土壤溫度的升高與降低情況。數(shù)值模擬采用上述條件假設(shè)，流體運(yùn)動(dòng)與換熱的數(shù)學(xué)模型包含質(zhì)量、動(dòng)量、 能量守恒以及湍流量的守恒，還采用了流體研究中應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)雙方程加標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)的方法。PE 管頂部及底部設(shè)置為絕熱邊界，土壤均溫度17，模擬計(jì)算得知共需要換熱井深6120米。下圖為基本單元地埋管布置圖，初步設(shè)計(jì)72個(gè)鉆孔，共6組。采用垂直鉆孔方式，間距保證在4米以上，單孔有效深度85米。采用數(shù)值模擬方法，考察夏季5個(gè)月、過(guò)渡季節(jié)3個(gè)月，冬季4個(gè)月的雙U型埋管的土壤溫度場(chǎng)。模擬結(jié)

7、果及分析由于系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中總的排冷、散熱量不同，會(huì)導(dǎo)致地溫發(fā)生相應(yīng)的年、季變化。當(dāng)埋管系統(tǒng)的排冷總量大于散熱總量時(shí)，地源側(cè)出口水溫會(huì)逐年下降，反之則會(huì)逐年上升。下圖為系統(tǒng)水溫校核曲線，由圖中可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)地下為逐漸溫升過(guò)程，20年后，地埋管系統(tǒng)出口水溫升約為2.5，溫升幅度在允許范圍之內(nèi)，系統(tǒng)生命周期內(nèi)的運(yùn)行效果良好;從圖中可以看出，在供冷季土壤溫度上升較快，在供暖期及過(guò)渡季節(jié)的恢復(fù)期，土壤溫度出現(xiàn)下降。經(jīng)過(guò)一個(gè)周期土壤溫度略有升高。實(shí)際運(yùn)行成本整個(gè)系統(tǒng)在2008年10月開(kāi)始投入運(yùn)行，截至到2009年4月，共運(yùn)行采暖4個(gè)月，過(guò)渡季節(jié)供熱水2個(gè)月。系統(tǒng)總體運(yùn)行狀況良好，具體情況如下：備注

8、：1、10月份為過(guò)渡季節(jié)，中央空調(diào)關(guān)閉，只提供生活熱水;2、1月末2月初為中國(guó)春節(jié)，設(shè)備停用10天。系統(tǒng)運(yùn)行期間，設(shè)備日最高耗電量為560KW，六個(gè)月總耗電量36000KW。與常規(guī)冷水機(jī)組加燃?xì)忮仩t系統(tǒng)相比，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用4.5萬(wàn)元;與常規(guī)風(fēng)冷熱泵機(jī)組加熱泵熱水機(jī)組系統(tǒng)相比，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用7萬(wàn)元。實(shí)際總運(yùn)行費(fèi)用與方案設(shè)計(jì)的運(yùn)行費(fèi)用基本相符，達(dá)到了預(yù)期節(jié)能目標(biāo)。工程結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合 ,這也進(jìn)一步證明了該方法在地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的準(zhǔn)確性?？偨Y(jié)1、采用地源熱泵三聯(lián)供熱泵系統(tǒng) ,比常規(guī)電制冷機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)每年可節(jié)省40 %50 %的運(yùn)行費(fèi)用,節(jié)約40%左右的一次能源 ,同時(shí)大大降低了城市大氣污染。2、地源熱泵三聯(lián)供熱泵系統(tǒng)，在上海已取