济南某地源热泵系统工程的校核计算

济南某地源热泵系统工程的校核计算

李金花¹  李冬青²  王运强³陈海锋¹

(1山东方亚地源热泵空调技术有限公司2山东亚特尔集团股份有限公司3山东国舜建设集团有限公司)

摘要：本文针对某工程实例，结合建筑所在地济南地区的气候特点及建筑逐时负荷，利用专业设计软件，对该建筑的地埋管设计参数进行校核计算，分析了地埋管换热器循环水温度变化、壁孔温度变化情况及热泵进口温度变化（以十年为周期），并计算了系统全年的运行费用。

关键词：地源热泵、循环水温度、运行费用

The verification calculation of a ground source heat pump system in Jinan

Li Jinhua¹ , Li Dongqing² , Wang Yunqiang³ , Chen Haifeng¹

(1, Shandong Fangya GSHP Techonology Co.Ltd.

2, Shangdong Yateer Group Co.Ltd.

3, Shandong Guoshun Construction Group Co.Ltd.)

Abstract: Based on an engineer example of ground source heat pump air-conditioning system in Jinan as well as thesite’s weather characteristic and the building’s hourly loads, the geothermal heat exchanger is further designed with the professional software “Geo Star”. Temperature variations of the circulating water in the geothermal heat exchanger and that of the borehole wall as well as that of the heat pump inlet are all analyzed (within a ten-year cycle). Simutaneously, the operation cost of the system is calculated.

Key words: ground source heat pump, circulating water temperature, operation cost

1. 引言

地源热泵系统利用200m以内的浅层地壳中储存的热能资源对建筑进行供热与空调，具有良好的节能与环境效应，近年来在国内得到了日益广泛的应用。根据地热能采集系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统^【1】。地埋管地源热泵系统是利用闭式环路采集地下岩土中热量的的地源热泵系统，通常称之为“闭式环路地源热泵”、“地耦合地源热泵”，以区别于地下水热泵系统。它通过循环液（水或以水为主要成分的防冻液）在封闭的地下埋管中流动，实现系统与大地之间的传热。由于较深的地层在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度，因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍，且效率大大提高^【2】。考虑到中国地少人多、水资源匮乏的国情，优先采用竖直埋管地源热泵技术。

1. 工程概况与建筑负荷

本工程位于山东济南地区，建筑面积约为25000㎡，为机关办公楼，地上11层、地下1层。利用由北京某研究所开发的负荷计算软件^[3]计算其全年逐时负荷如下图。本工程拟采用地源热泵空调系统，共钻孔270个，单个钻孔100延米，孔径为150mm，地下换热器采用单U型De32管。

1. 地埋管系统校核计算
2. 钻孔设计参数

本工程采用地埋管地源热泵系统，系统技术参数如下：

表格 1地埋管换热器的设计参数^[4]

1. 建筑负荷初步分析

表格 2

由此可得，地埋管换热器冷热负荷的不平衡率为23%，冷负荷稍大于热负荷。

•  循环水温度分析

系统运行模拟的第一个运行季为采暖季，循环液的最低入口温度出现在第一个月，温度值为7.5度左右，以后几年的情况循环液的最低入口温度会逐渐升高。最高温度在第116月，为31.6度。从图中可以看出，这三个温度都呈上升趋势，原因是由于夏天排到地下的热量大于冬天从地下的取热量（即冷负荷占优），会使土壤的温度成上升趋势，而循环水受环境温度的影响为满足换热要求也呈上升的趋势^[5]。                                                                                                           

图 2循环水最高温度、最低温度及钻孔壁温变化曲线

       由图可见，循环水每年的最高、最低温度随运行时间呈微弱上升的趋势，最高时达31.6℃，仍小于35℃，在制冷工况下仍可保证热泵以较高的效率运行；而最低温度逐年上升则有利于热泵在制热工况保证较高的能效比，会使热泵制热功耗降低^【6】。。对于山东济南这个采暖占重要地位的北方城市（政府规定采暖天数120天），显然是一种有利的因素，所以对于本系统而言冷热不平衡带来的不是负面效果，而是进一步增加了系统的能效。**

1. 系统运行费用计算

图 3设备月耗功图

图3为系统主要设备（热泵、机组）的各月耗功量。热泵能耗计算利用了地源热泵设计软件的设计计算。水泵的能耗计算条件为冬季运行120d，每天运行14h，考虑水泵采用变频控制(根据设计院提供参数，用户侧水泵功率为11kw，地源侧水泵功率为30kw)，取其运行系数为0.65。由图可见，月耗功最大的为1月份和7月份，同时可见在所有月份中，热泵机组的能耗是主要部分。在全年总能耗中，热泵机组耗功约为346132.5kWh，占总能耗的62%，水泵总能耗为212121kWh，占总能耗的38%。

1. 结论

  通过以上的模拟计算可知，该建筑地源热泵系统在既定设计延米数下可节能、高效的运行。同时通过以上计算可以得知：

（1）如图2的循环水、钻孔壁、热泵进口温度变化曲线可推测，地热换热器运行过程中，地埋管周围土壤的温度场将发生变化，随着温度变化程度的增加和区域的扩大，相邻地埋管之间的换热将受到影响，把这种因地温变化而引起的换热阻力的增加与换热量的减弱，称为温变热阻。在本工程中，夏季向地下注入的热量大于冬季从地下抽取的热量，多余的热量在地下积累，引起地下年平均温度的变化。因此在钻孔量的设计计算中应加以考虑。

（2）通过图3可见，在所有的能耗中热泵机组的耗功量占总能耗的62%，水泵总的能耗占总能耗的38%。可见水泵的能耗也较大，在设计计算中应考虑节能，一般地埋管侧水泵扬程不宜超过32mH₂O。

参考文献

[1]中华人民共和国建设部GB50336-2005.地源热泵系统工程技术规范[S]北京：中国建筑出版社，2005

[2]刁乃仁，方肇洪地埋管地源热泵技术北京高等教育出版社，2006

[3]谢晓娜，宋芳婷，燕达，江亿.建筑环境设计模拟分析软件DeST——第二讲  建筑动态热过程模型.暖通空调，2004，34（8）：35－47

[4]于明志，方肇洪现场测试地下岩土平均热物性参数方法[J] 热能动力工程，2002，17（5）：34-37

 [5] 曾和义，方肇洪双U型埋管地热换热器的传热模型山东建筑工程学院学报，2003，18（1）：6-9

[6]崔萍地热换热器的传热模型及设计计算[D] 硕士学位论文济南：山东建筑工程学院，2002