某大学实验楼地源热泵采暖系统设计

某大学实验楼地源热泵采暖系统设计
杨伟 ，张军，杨琳琳，高珊
（辽宁工程技术大学建筑与工程学院，阜新市123000）

摘要：对某大学实验楼采暖热负荷按规范进行了详细计算，计算结果小于估算值，原因在于新建建筑物采用了节能技术。对系统的实际运行费用进行了分析，与采用冬季集中供热的采暖系统相比，在相同的热负荷条件下，地源热泵系统具有显著的节能效果。地源热泵的应用还受多方面的影响,需要设计人员多积累多思考,将技术的可靠性、节能性和环保性有效地结合起来。
关键词：地热换热器；供热； 经济性分析； 节能    

Design of Ground-Source Heat Pump heating system for a University’s Lab Building

Yang Wei ，Zhang Jun，Yang Linlin，Gao Shan

(College of Architecture Engineering of Liao Ning Technical University, Fuxin City, 123000)

Abstract: The detailed calculation of a Ground-Source heat pump heating system for a university laboratory showing that it is less than estimated values, The reason is that the use of energy-saving technologies in new buildings. The actual operation cost is analyzed. Compared with central heating systems, ground-source heat pump system has a remarkable energy-saving effect to meet the same heat load. Application of ground-source heat pump there are still affected by many factors. It is necessary for designers to accumulate experience and think about the GSHP’s combination of reliability, energy-efficiency and environmental protection.
Keywords: geothermal heat exchanger; Heating; Economic Analysis; Energy Efficiency

1 引言
    在欧美，将地源热泵系统用于建筑物的供热和空调已是较成熟的技术[1]。近年来,由于我国对保护环境和节能的关注,地源热泵技术已受到越来越多的重视。但实际应用的工程仍然较少，这主要是由于缺乏行之有效的设计方法。地源热泵是利用土壤良好的储热/冷特性进行供热空调的一种工程应用，在冬季供热时，大地作为低温热源，热泵系统利用预埋在地下的管道，通过循环介质吸收储存在地下的热能，由热泵完成逆循环并向用户提供热量。驱动地源热泵的主要是电能，除此之外，地源热泵系统在运行工作过程中无需其他热源或动力，是城市供热的一种清洁能源。
地源热泵供暖系统主要分三部分：室外地能换热系统、热泵机组和室内采暖末端系统。其中热泵机组主要有两种形式：水一水式或水一空气式。三个系统之间靠水或空气作为循环换热介质进行热量的传递。

2 工程概况
   实验楼位于东经122°，北纬42°，为北温带大陆型季风气候区，年平均气温为8.8℃。最冷月（1月）平均气温在-4.5～8℃之间。最热月（8月）平均气温在24℃上下，平均相对湿度61％，最大相对湿度78％，最小相对湿度48％。平均冻土深度1.11米，最大冻土深度1.48米，最小冻土深度0.68米。
本建筑物是集教室、实验室、多功能演示厅、模拟法庭、办公等为一体的综合大楼。占地面积4837.91m2，建筑面积27354.26m2，总高度是34.5m。主楼八层，地下室层高4.5m, 作为泵房和设备间兼有休息和娱乐区；一～四层层高是4.5m，为教学用房；五～八层层高是3.9m为实验用房；附楼五层，层高是4.5m，教学用房。

3 设计计算参数
   室外气象参数表见表1-1

   表1-1  室外气象参数表

  
1) 室内温湿度：  冬季  t= 24  ℃          Ф≥ 40  %
2) 室内人员数量：略
4) 照明和办公设备：办公室   10w/㎡     明装荧光灯 
教室    40w/㎡      明装荧光灯
5) 工作时间：       冬季  16小时
室内温度取值说明：为了满足人体热舒适的环境，有助于人的身心健康，提高学习工作效率取24℃，比规范最高值超6℃。

4 地源热泵系统负荷计算
4、1 热泵系统负荷计算[2~5]
    供暖系统设计热负荷是供暖设计中最基本的数据，它直接影响供热方案的选择、供暖设备的容量以及供暖系统的使用效果和运行成本。建筑的供暖热耗是由建筑物围护结构传热耗热、冷风渗透耗热及建筑物内部得热三部分组成。按《采暖通风与空气调节设计规范》计算结果为875336.32W，设计热指标为32W/㎡(1039462.77W /27354.26㎡=38W/㎡)。总热负荷应包括用户实际所需的供暖热耗以及系统本身的损失。损失一般用附加值计算，对于直接供热系统通常附加5%~7%。经调整后的总热负荷为（1039462.77W×1.06）1101831W。
建筑物的总供暖热耗也可按建筑的类型和使用性质，采用单位面积热指标法来估算总供暖热耗。查文献[5]，学校供暖设计热指标为58～81W/㎡。由于本建筑采用了节能墙体等技术，实际计算结果低于推荐值
4、2、室内末端系统设计
    办建筑为高层建筑，需采用竖向分区热水供暖，分区式热水供暖系统的四种主要型式为设热立换器的分区式系统、高双水箱的分区式系统、设阀前压力调节器的分区系统、设断流器和阻旋器的分区式系统。本设计主楼采用设断流器和阻旋器的分区式系统，分为一～四层、五～八层两个区，附楼为一个区。
4、3、地源热泵系统设计
    地热换热器的埋管方式主要有两种形式 ，即竖直埋管和水平埋管[3]．选择哪种方式主要取决于场地大小、当地岩土类型及挖掘成本。如果场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济。当场地面积有限时，适合采用竖直埋管方式，很多情况下选择后者。
    水平埋管就是将塑料管水平敷设在离地面 1～2m的地沟内。水平埋管的地热换热器受地表气候变化的影响，效率较低，而且占地的面积比较大，在国内建筑物比较密集的情况下，它的使用受到一定的限制。水平埋管的地热换热器有以下几种形式：(1)水平单管；(2)水平双管；(3)水平四管；(4)水平六管等。实践证明，水平换热器的寿命较长。
竖直埋管就是在地层中垂直钻孔，孔的深度一般在30～150米。在竖直埋管方式中，由于地下深层土壤温度比较恒定，占地面积小，因此在地源热泵工程中得到了广泛的应用。竖直埋管的地热换热器的形式有以下几种 ：(1)单U一型管；(2)双U一型管；(3)小直径螺旋盘管；(4)大直径的螺旋盘管；(5)立式柱状；(6)蜘蛛状。在竖直埋管换热器中，目前应用最为广泛的是单U一型管。本设计采用竖直双U一型管的地下换热器的。
4、4  地热换热器的设计[6，7]
    地热换热器的长度直接影响到热泵机组的性能和系统的初投资，因此合理确定地热换热器的长度是地源热泵系统经济运行的关键。地热换热器的设计主要包括以下内容：地热换热器的长度的确定；地热换热器结构的设计以及管路的连接方式。
    确定地热换热器的长度采用了估算法。所谓估算法就是首先根据建筑物的峰值负荷，确定出地热换热器的长度，然后确定地热换热器的平面布置情况，再根据手册中给定的单位管长或单位埋管深度的放热量，求出所需地热换热器的长度。这种方法简单，比较适合工程设计。
根据该建筑的实际情况，地源热泵系统应达到冬季供热的要求。室外埋管系统采用垂直U型埋管方式[6]，管径De32。根据峰值负荷计算埋地换热器，采用垂直双U型埋管方式需钻孔222口，孔深80米，间距6米。

5 地源热泵采暖系统运行费用
    冬季采暖183天，每天24小时运行。设置循环水泵四台, 三用一备，单台功率为37KW, 热泵机组三台, 两用一备型号为W490[8],单台机组电功率为137.8KW ,同时运行系数0.49. 根据有关实际运行情况及室内外参数,对系统在采暖期间的耗电量和运行费用进行了分析计算 结果如表1所示。

一、耗电量
序号 设备名称 冬季耗电量（KWh）
1 热泵机组 593113
2 循环水泵 238881
合计 831994
二、运行费用（元） 415996.9
电价计算时按0.5元计算
在同样的供热负荷条件下，如仅采用冬季集中供热，其供热费为615470.85元（27354.26 m2X22.5元/米2=615470.85元)，而采用冬季供热时地源热泵系统运行费用仅为46818元。与此相比地源热泵可节约费用约32.41％ 。
6 结论
1)、由于新建建筑物采用节能技术，热负荷估算值要小于计算值，在热泵设计初期要对热负荷估算值进行修正。
2)、与集中供热采暖系统相比，在满足相同的热负荷条件下，地源热泵系统可节省运行费用约32.41％。由于地源热泵系统可以有效改善局部环境，对环境保护有积极的促进作用。
3)、地源热泵的应用还受土壤或岩石特性影响，初投资较高、缺少针对土壤热物性参数的研究成果、缺少最佳匹配参数、缺少动态特性研究等方面因素,需要设计人员多积累多思考,将技术的可靠性和节能性、环保性有效地结合起来。

注：本文为《地源热泵》杂志专稿内容，转载请注明“中国地源热泵网”。