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1、北京市某研发楼地源热泵空调系统设计方案1工程概况北京市某研发办公楼，总建筑面积为11500m2。其中地下一层包括 餐厅、厨房、车库及各种设备用房；地上三层包括办公室、会议室等， 建筑高度为1237m。该工程集办公室、会议室、餐厅为一体的综合性建筑，使用功能相对复杂。业主对建筑外观要求较高，要求屋顶有冷却塔影响视觉效果及空调系统在日后的空调制冷和供暧运行中费用相对低廉。结合以上要求及该工程的实际情况，设计中采用了地源热泵。空调室内设计参数：夏季Tn= 25C27C， =5065；冬季 Tn=18C一22C， =4055。该工程夏季空调逐时计算总冷负荷 为10638kW，冬季供暧负荷 1097kW
2、。空调冷(热)源由地下室 冷冻主机房的两台螺杆式地源热泵机组提供，每台热泵制冷量为577.7KW，制热量为6222KW，夏季 冷冻水供回水温度7C12 oc，冬季 热水供回水温度45C40c。水系统循环动力由六台循环水泵提供2地源热泵系统 21地源热泵系统可行性评价经北京市地质工程勘察院勘 查得出的 地源热泵系统地质调节 评估报告 表明，该地区Om一100m 土壤每变化1，可排放或吸收热 量约为Q 73010。kJ。 依据 采暖通风与空气调节设 计规范 ，北京地区制冷天数为103 天，供热天数为129天。由于为办公楼，夏季每天供冷约为14小时， 冬季每天供暖16小时，热泵使用季 节系数051(
3、不同时间，系统运行 负荷不同，只有很少的时间系统能 达到满负荷运行。通常10的时 间，负荷在90以上；30的时间，负 荷在60以上；60的时间，负荷在 4O根据美国ARI标准和中国 行业标准JBT4329-97)。可以由下述公式 和上述参数计算出一个 制冷季或供暖季建筑物向土壤排 放或吸收的热量： Q _-Q (I+ICOP ) (1) Q。 ：Q。X(11COP。) (2) 其中：Q 夏季向土壤排 放的热量，kw； Q 夏季设计总冷负荷，kW； Q。 冬季从土壤吸收的热 量，kw； Q厂冬季设计总热负荷，kW； COP 设计工况下水源热泵 机组的制冷系数； COP?设计工况下水源热泵 机组的
4、供热系数。 根据公式(1)、(2)可得则一个制冷季建筑向土壤排 放的热量为： QR =12736051 X 14 X 103 X 3600=337 X 10 kJ，小于QR= 73O1O kJ，表明经过一个制冷季 该区域土壤温度升高小于1。 一个供暖季建筑从土壤吸收 的热量为： QR =8543 X 051 X 16 X 129 X 3600=323 X 10 J，小于Q 73O1O。kJ，表明经过一个供暖季 该区域土壤温度升高小于1。 计算结果显示经过一个制冷 季与供暖季后，热泵向土壤所排放 能量与从土壤吸收的热量大小基 本相当。说明该项目地源热泵系 统运行一个制冷季与一个供暖季 后，地下热
5、量基本保持平衡。因此 该工程采用地源热泵系统形式，利 用该地块的浅层地热能制冷和供 暖是可行的。 22地下热交换器设计 221选择热交换器形式 该工程绿化面积较大，场地空 间丰富，所以采用U型管垂直并联 的系统型式，地埋管可以布置在该 工程绿地及部分道路下。 222确定埋管管长 地下热交换器长度的确定除 了和系统布置形式及管材有关外， 还需要有当地的土壤技术资料，如 地下温度、传热系数等。文献 介 绍了一种计算方法共分9个步骤， 很繁琐，并且部分数据不易获得。 在实际工程中，可以利用管材“换 热能力”来计算管长。换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的 换热量，一般垂直埋管为70Wm 1lOWm
6、(井深)，或35Wm一55Wm (管长)，水平埋管为20Wm一40Wm (管长)左右，双U埋管换热量一般 为单U埋管的12513倍 。 计算埋管长度，取换热能力的 下限值35Wm，通过公式： L=Q X 1000(35 X 125) =127361000(35125) =291108m 其中：L双U埋管长度，m； Q 夏季向土壤排放的热 量，kw。 223确定竖井数目及间距 国外竖井深度多数采用50m lOOm ，本工程竖井深度定为lOOm， 通过公式计算可得： N=L(2H) =291108(2 X 100) =145个 其中：N竖井个数，个； L双U埋管长度，m； H竖井深度，m。 根据(
7、地源热泵系统工程技术 规范438条，竖井钻孔间距应满 足换需求，间距宜为3m6m，根据 本工程地形地貌以及管路水利平 衡，确定钻孔间距为5m，布置6对供 回水集管，每对集管对应28个 150mm的孔，共计168个孔224管径选取及水力计算 在实际工程中确定管径必须 满足两个要求 ：管道要大到足 够保持最小输送功率；管道要小 到足够使管道内保持紊流以保证 流体与管道内壁之间的传热。显 然，上述两个要求相互矛盾，需要 综合考虑。一般并联环路用小管 径，集管用大管径，地下热交换器 埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、 40mm、50mm，管内流速控制在122ms以下，对更大管径的管道， 管内
8、流速控制在244ms以下或一 般把各管段压力损失控制在4mH。o lOOm当量长度以下 。 该工程根据这一原则从总地 源侧分、集水器中分出6对DNIO0的 供回水管，在经下一级的分、集管再 分出7对DN50的供回水管，连接埋 入竖井的DN32双U管。经测试，双U 管中的流速能达到(地源热泵系统 工程技术规范(GB5O3662O05)439 条的管道推荐流速：双U形埋管不 宜小于04ms。 选择地源侧管路中的最不利 环路，计算其压力损失作为选取地 源侧水泵扬程的依据。 Pz=Pw+P =0113+0154 =0267MPa 其中：Pz最不利环路总压 力损失，MPa； P一最不利环路室外埋管压 力
9、损失，MPa； P 最不利环路室内管路压 力损失(包括热泵机组的管路压力 损失，以及热泵机组、阀门和其他设 备元件的压力损失等)，MPa。 因此水泵扬程设计值为： H=Pz X 11 =0267MPa11 =0294MPa =294mH20225管道的承压 管路最大压力应小于管材的 承压能力。若不计竖井灌浆引起的 静压抵消，管路所需承受的最大压 力等于大气压力、重力作用静压和 水泵扬程一半的总和 ，即： P：P P gh+O5Pn 其中： 管路最大压力， Pa； P 一建筑物所在的当地大气 压，Pa；p地下埋管中流体密度， kgm。； g当地重力加速度，ms ； h地下埋管最低点与闭式 循环系
10、统最高点的高度差，m； P 水泵扬程，Pa。 该工程地源侧为闭式定压系 统，采用自动补水定压罐为系统补 水定压，定压罐定压值为025MPa。 因此管道的承压为： P=Po+p gh+O5Ph =025+1000 X 98 X 10010 + 050295 =1377MPa 上式中的 此时为定压罐定 压值。 226选择管材 依据(采暧通风与空气调节设 计规范)中，北京地区制冷天数为 103天，供热天较多，应优先考虑使 用价格较低的管材。地源热泵系统 一般采用塑料管材。目前最常用的 是聚乙烯(PE)和聚丁烯(PB)管材， 它们可以弯曲或热熔形成更牢固的 形状，可以保证使用50年以上；而 PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压 能力差，容易导致泄漏，因此，不推 荐用于地下埋管系统。根据上述计 算的管路最大压力为1377MPa，参 考(地源热泵系统工程技术规范附 录A，选择承压能力为160MPa的聚乙烯(PEIO0)管材。