浅谈天津国际贸易与航运服务区写字楼地源热泵空调系统设计

论文关键词：地源热泵 地埋管 地下埋管换热器

论文摘要：土壤源热泵是一项新兴的节能环保的空调技术。本文介绍了天津国际贸易与航运服务区写字楼地源热泵空调系统的设计，提出了设计中应注意的问题，并对该建筑的运行情况进行了分析和总结

一．工程概况及系统简介

1．工程概况

天津国际贸易与航运服务区写字楼总建筑面积为23378．76平方米，其中地上建筑面积为21714．12平方米，地下建筑面积为1664．64平方米。地上l3层，有大堂、咖啡茶座、保安监控和办公室等，地下l层，有变配电间、发电机房、泵房、库房等。本项目拟采用热泵系统为地上建筑提供冬季采暖和夏季制冷，地下建筑不考虑空调系统。

2．地源热泵系统介绍

地源热泵是一种利用地下浅层地能，将低位能向高位能转移，以实现供热制冷的高效节能空调系统。其利用地层在一定深度下一年四季温度比较恒定，保持在l5℃以上，且具有热容量巨大、可以再生等特点，通过埋设在地下的换热管与土壤进行热交换，冬季把土壤中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地能为“热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地下土壤中，此时地能为“冷源”，如下图：

此外，冬季通过热泵把大地中的热量升高温度后对建筑供热，同时使大地中的温度降低，即蓄存了冷量，可供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。在地源热泵系统中，大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。可以大大减少对化石燃料的消耗，减少对环境的污染，符合人类可持续发展的要求。地源热泵系统是一种高效、节能、环保的冷暖中央空调系统。

3．设计依据

3．1冬季采暖、夏季制冷面积：21714平方米；

3．2设计负荷：

冬季：热指标估算为78．89w／m2，设计采暖负荷为l713kw；

夏季：冷指标估算为116．28w／m2，设计制冷负荷为2525kw；

3．3空调使用时间：夏季：l20天；冬季：120天

4．方案综述

根据项目的位置、建筑面积、水文地质情况以及建设方提供的部分相关资料，拟采用“混合型的地源热泵系统”为建筑提供冬季采暖和夏季制冷。

二　混合型的地源热泵系统设计

1、系统方案综述

在本方案中，采用混合型的地源热泵系统为所有建筑提供冬季供暖和夏季制冷。热泵机组按照夏季负荷进行选择，则也能够满足冬季采暖负荷；室外地埋换热孔的数量按照冬季负荷进行设计，夏季制冷时系统散热不足的部分由冷却塔来进行补充散热。在夏季制冷实际运行中，以地埋换热孔散热优先运行，冷却塔进行辅助散热。

夏季制冷负荷为2525kw，选择3台gshp—c1038d型热泵机组。3台总的制冷量为2796kw，总的制热量为3123kw，可以满足夏季制冷和冬季采暖负荷的需求。

2、冷、热源方案

2．1、地源热泵机组选型

35gshp—c1038d型热泵机组，其标准工况下性能参数如下：

注：在进行施工图设计时，须按实际运行工况与厂家进行最终确定参数。

2．2、系统全年运行方案

夏季3台热泵机组全部运行，提供制冷，但根据负荷的变化，可以开启l台或2台机组，同时该2台机组可以根据负荷的变化实现从l0—100％的无级调节，其中地埋换热孔优先运行。

冬季2台热泵机组的制热量为2082kw，而冬季采暖负荷为l713kw，因此2台热泵机组运行即可满足采暖负荷需求，间时可以根据实际运行负荷选择开启l台机组或2台。

2．3、系统主要循环水泵

系统主要循环泵均采用屏蔽泵，该种泵具有运行稳定、噪音低、安全可靠性高等特点。

三．室外地埋管换热系统及冷却塔辅助散热系统

1、地埋管的设计方法

地埋管的设计主要是针对工区的地质、水文地质条件，结合系统运行工况，计算地埋管的换热量和满足负荷要求所需求的换热管的长度。基于工区地下条件的多样性，我公司在地埋管的设计上主要采取“现场工程、水文地质条件分析+设计软件”相结合的方法。

2、本方案地埋管换热系统的设计

综合分析项目区的地质条件等因素，本项目地层单位钻孔延长米的换热量夏季取55w／m，冬季取45w／m。

按照冬季采暖负荷设计换热孔的数量，本系统冬季的总热负荷为1713kw，所需地埋管的最大数量为30625延长米，若单个地埋换热孔深选用125m，则换热孔数量核算为245个，

孔径大干200mm。换热孔布设在项目区内绿地、停车场等非建筑构筑物下面，换热孔口位于地面1．2m深以下，钻孔完成后不会影响地面的正常使用。换热孔间距5×5m，在本项目的室外空地最多可布设换热：fl383个左右，因此可以满足布设换热孔的需求。

3　、冷却塔辅助散热系统

本项目夏季设计负荷为2525kw，考虑土壤的换热能力、热平衡的问题以及系统运行的经济性等，初步设计夏季2台热泵机组与地埋换热孔相连，另1台热泵机组直接与冷却塔相连接，这样一方面可以通过调整冷却塔的运行时间来解决热平衡问题，另一方面也提高了系统的能效率比。

因此，在本方案中，选择2台ldcm—n一125(或l台ldcm—n-250)型冷却塔进行辅助散热。

四　经济技术分析

1、初投资估算

本工程初投资估算为567．1万元。

初投资估算说明：本初投资估算为室外地埋管换热系统、冷却塔、热泵机房内设备的购置和安装、不含其它土建、电力电源引入费用、机房轴线以外的热媒(或冷媒)管道和室内末端系统等二次系统等。

2、运行费用测算

冬季供暖费用：本方案冬季供暖热泵机组运行电费为36．24万元。

夏季制冷费用：本方案夏季制冷热泵机组运行电费为l9．59万元。

热泵机组全年运行电费：热泵机组全年运行电费为55．83万元，折合25．7元／平方米。

五、方案结论

本方案的初投资和运行费用如下表，其中初投资主要为热泵机房、地埋换热孔以及冷却塔等的费用，具体见方案。运行费用为热泵机组运行电费，不含循环水泵运行电费和管理费用。

特注：初投资和运行费用的测算，与建筑供暖和制冷负荷的选取直接相关。同时，实际运行费用受使用情况的影响，由于建成后的系统由自己维护管理，若使用量较少，其运行费用必然会降低。因此，这里的计算仅供参考。