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吴江盛虹化纤办公楼地源热泵空调系统设计

吴江盛虹化纤办公楼地源热泵空调系统设计

美意(上海)空调设备有限公司 张 伟 吴展豪

摘要 本文介绍吴江盛虹化纤办公楼地源热泵中央空调系统的设计。重点介绍根据吴江地区地质结构特点计算设计地源热泵土壤型换热器系统。认为吴江的地质结构条

件是非常适合于土壤型热交换器形式的地源热泵系统。

关键词 办公楼 中央空调系统 地源/水源热泵 土壤型热交换器

一、工程概况

图1 办公楼外景图

该工程位于江苏省吴江市盛泽镇,为盛虹化纤集团的厂区办公楼。共分东、西两大主楼,外加中间的两层大厅。东、西主楼各为8层,该办公楼总建筑面积为9,000㎡(见图1)。主要有办公室、会议室、活动室、接待室等功能房间。

二、室外空气设计参数(按上海地区参数设计)

夏季室外干球温度:34℃ 夏季室外湿球温度:28.2℃

冬季室外干球温度:-4℃ 冬季室外相对湿度:75%

三、 室内空气设计参数

夏 季 冬 季 噪声

房间类型

温度(℃) 相对湿度(%)温度(℃) 相对湿度(%)NC 办公室 24~27 < 60 20~22 > 40 33~35 会议室 25~27 < 65 18~20 > 30 34~36 活动室 26~28 < 65 16~18 > 30 35~37 接待室 25~27 < 65 18~20 > 30 34~36 四、地源热泵中央空调室内部分设计

根据该办公楼格局特点,单独的小办公室采用美意分体式地源热泵机组,每台机组可以完全单独控制,并且每台机组可以随时制冷、制热、通风、除湿。大厅采用美意J072H小型整体式地源热泵机组。这样每个小办公室和大办公区域都可以单独控制。并且内外区分隔很明显。在过渡季节,外区向阳的小办公室可能早、晚需要制热,中午需要制冷。而内区办公区域,由于办公设备不断散热,需要一直制冷。美意的地源热泵设备完全能满足以上要求,并且制冷、制热随时可调。

根据办公室装潢吊顶特点,气流组织为侧送上回,而大厅未挑空部分采用上送上回,挑空部分采用侧送上回。上送风口均为散流器,侧送为双层活动百叶风口。地源热泵机组全为吊装式,为了检修方便和控制噪音,主机分散布置,多吊装在走廊和卫生间天花内。该办公楼采用美意L024H整体式地源热泵机组作为新风机组。为了达到地源热泵机组的运行工况,新风与回风混合后进入静压箱,再通过该整体式地源热泵机组。整体式机组的进出风口都装有消声静压箱。其风管、风口、静压箱等的设计和常规系统一样。

水系统设计为同程,其回水管为同程管。每层水平支管上装有过滤器。立管最高点装有自动排气阀。分、集水器分别装有温度表和压力表。在西主楼一层楼梯间设一小型水泵房,分、集水器,水泵等均安装在水泵房内,开式膨胀水箱则置于屋顶。其水管管径、水泵、开式膨胀罐等的选择方法等和常规系统一样。室内布置见下图2。

图2办公楼某层空调平面布置图(局部)

五、地源热泵中央空调地下埋管式换热器系统设计

地下埋管式换热器是地源热泵系统设计的重点。根据吴江地区的土壤特性、气候特点、地质结构等特点,结合该项目的具体情况和我们以往的实际工程经验,该项目采用竖埋的方式比较可行。具体设计步骤如下: 1、计算地下换热器的最大换热量

该办公楼的冷负荷为710KW,热负荷为630 KW。

冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。根据如下公式计算土壤性换热器的换热量

?

???????+×=′

11111COP Q Q kW (1) ?

????????×=′

22211COP Q Q kW (2)

其中——夏季向土壤排放的热量,kW

1Q 1Q ——夏季设计总冷负荷,kW

2Q ——冬季从土壤吸收的热量,kW

2Q ——冬季设计总热负荷,kW

1COP ——设计工况下地源热泵机组的制冷系数,取4.5

2COP ——设计工况下地源热泵机组的供热系数,取3.98

2.8665.41171011111=??????+×=?

???????+×=′COP Q Q kW 7.47198.31163011222=???????×=???

????

??×=′

COP

Q Q kW 因为夏季向土壤中排放的热量大于冬季从土壤中吸取的热量。所以以夏季向土壤排放的热量进行计算,即换热器的最大换热量为866.2kw。 2、竖井埋管管长

竖井埋管的长度取决于单位埋管的换热能力,计算公式如下:

W

1000Q L ×=‘

其中L ——竖井埋管总长,m

'Q ——换热器最大换热量,kw

W ——单位管长换热量,w/m

单位管长换热量与地质结构成分有密切关系,而且各地质层传热性能各有差异,在建立模型计算方面比较困难,并且也存在一定的误差,故在此项目我们根据已往在该地区的工程经验以及采用现场打测试孔进行单孔测试的方法来计算单位管长的换热量,综合上述方法给出该方案单位换热量为35w/m,故竖井管长为:

35

1000

2.866×=

L =24,749(m)

3、确定竖井数目及间距

竖井深度多数采用50~100m,我们根据吴江地区的地质资料现场条件,进行精确计算认为该地区竖井打80米较为合理。根据下式计算竖井数目:

H L

N ×=

2

其中——竖井总数,个

N L ——竖井埋管总长,m H ——竖井深度,m

分母“2”是考虑到竖井内埋管管长约等于竖井深度的2倍。

7.15480

224749

=×=

N (个)

圆整后取160。

孔间距的大小直接影响孔与孔之间的相互热干扰大小,间距小,热干扰大,对换热不利;间距大,热干扰小,对换热有利。但埋管面积有限,不可能无限扩大孔间距,由文献12,13以及我们已往的工程经验,设计间距为4m。 4、管材的选取

一般来讲,一旦将换热器埋入地下后,基本不可能进行维修或更换,这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀,并且希望管材的导热系数大、流动阻力小、热膨胀性好、工作压力符合系统要求。根据地源热泵施工规范要求选择了SDR11高聚乙烯PE 管。额定承压能力为1.25MPa。 5、确定管径

在实际工程中确定管径必须满足两个要求:(1)管道要大到足够保持最小输送功率;(2)管道要小到足够使管道内保持紊流(流体的雷诺数Re达到3,000以上

【9】

)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1.22m/s以下,对更大管径的管道,管内流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段压力损失控制在4mH 2O/100m当量长度以下。该项目竖埋管采用PE管为d32x2.9 mm,横管为d50x4.6 mm。

6、管路的连接方式

地热换热器管路连接既可采用串联方式,也可采用并联方式。采用何种方式,主要取决于安装成本。现对两种方式下系统的特点作如下分析:

串联系统优点:

(1)具有单一流体通道和同一型号的管子。

(2)由于采用管径比并联系统大,因此对单位长度的管道来说,串联系统的传热性能比并联系统的稍高。

(3)由于管径大,管内流速大,系统内积存的空气容易排出。 串联系统缺点:

(1)串联系统采用大管径管子,因此管内体积就较大,所需的防冻液就多,故防冻液的投资增加。

(2)管子成本高于并联系统的成本。 (3)安装劳动力成本增大。

(4)管道阻力损失大于并联系统。并联系统是用小管径管子构成。 并联系统的特点如下:

(1)因使用小管径的管子,故管子成本较低。

(2)所需防冻液量较小。

(3)安装过程劳动成本较低。

(4)阻力损失小。

并联系统缺点:

(1)排除空气较串联方式困难。

(2)若布置不当,各环路内水量不能保持平衡。

在地热换热器中,虽然串联方式管内流体流动速度高于并联系统,但由于地热换热器的热阻主要是塑料管壁与岩土之间的热阻,因此串联连接的总传热系数并没有显著提高。另外,串联系统成本比并联系统成本要高。因此,在本工程中采用并联系统,为了保持各环路之间的水力平衡,并联系统可采用同程系统。具体布置见下图3。

图3 地埋管平面布置图

图4 地埋管施工现场图片

六、地源热泵中央空调系统运行概况

该项目于2005年4月开始投入使用。运行非常稳定,同时送风均匀,室内最大温差±1.5℃。运行期间并没有出现像风冷热泵那样室外温度较高或过低时,机组名义制冷或制热量明显下降等现象。下表为办公室区域运行期间实测的数据。

2005-7-20(夏季)

机组进水温度(℃)机组回水温度 (℃)室外环境温度(℃)室内温度(℃)时间

25.5 29.3 27.5 22.8 9:30

24.8 29.5 32.6 21.3 11:30

25.4 30.2 35.5 22.5 13:30

25.7 30.4 35.8 22.2 15:30

26.2 30.8 35.6 22.5 17:30

2005-12-15(冬季)

进水温度(℃)回水温度 (℃) 室外环境温度(℃)室内温度(℃)时间

16.8 12.5 3.2 18.7 9:30 16.5 12.3 4.1 20.5 11:30 16.6 12.7 4.8 21.2 13:30 16.3 12.2 4.6 21.8 15:30 16.2 12.2 3.8 21.3 17:30

有上表可知,夏季进水温度保持在25.5℃左右(此时大气环境温度为35℃),表明地表2米以下的土壤即使在酷暑季节仍有远远低于25℃的温度,同时也表明此时机组系统中制冷剂的冷凝温度处于非常好的水平上。冬季进水温度保持在16.5℃左右(此时大气环境温度为4℃)。因此地源热泵机组在极端季节的运行稳定性和效率,是风冷热泵机组无法比拟的。

本项目采用美国MAMMOTH美意地源热泵空调系统,通过地源热泵空调利用地下能源,冬季取代燃煤、燃气、燃油等常规锅炉为建筑物供暖,夏季取代普通空调为建筑物制冷,实现了空调运行的近乎零的污染、零排放。

七、地源热泵系统的优越性

1、低维护--地源热泵系统的运动部件要比常规系统少,因而减少了维护,并且更加可靠。

由于系统安装在室内,不暴露在风雨中,也可免遭损坏,延长了寿命。

2、安全--地源热泵系统在运行中没有燃烧,因此不可能产生二氧化碳、一氧化碳之类的废

气集结在家中或商业建筑内。也不存在丙烷气体,因而也不会有发生爆炸的危险。

3、运行费低--地源热泵系统的效率比燃烧矿物燃料、燃油、天然气和丙烷的设备都高。它

只用一点电,运行费用较低。

4、舒适--由于地源热泵系统的供冷、供热更为平稳,降低了停、开机的频率和空气过热和

过冷的峰值。这种系统更容易适应供冷、供热负荷的分区。

5、可靠--如果安装适当,系统将可使用25年以上。住宅地源热泵系统一般仅有一台电动风

机、一台小型循环水泵、一台压缩机,如有需要可增设一台生活热水器的循环水泵。设备简单,运行可靠。

6、易于改建--建筑物中现有的供热、供冷风管通常可直接连接到地源热泵系统上。环路系

统可安装在诸如房屋前、后园地中。

7、改善环境--比较典型的,是将地源热泵系统安装在车库或其他室内场所,使设备不暴露

在恶劣的气候中,并使其运行安静,甚至使用户感觉不出设备正在运行。通常,是将地源热泵连接到传统的风管系统向各房间供冷或供热。地源热泵系统所需的制冷剂量要比普通的供热、供冷系统少。由于地源热泵机组安装在室内,在室外见不到风管、有噪声的空调机以及宠大的丙烷罐。

参考文献

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2、马宪国.燃气中央空调在上海及周边地区的市场分析(一)【J】能源研究与信息.2002.18

(4)

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6、肖益民等.地源热泵空调系统的设计施工方法及应用实例.现代空调,2001.3:88~100

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Installation Building , StephenP. Kavanaugh ,Kevin Rafferty,1997

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13、丁勇等.地源热泵系统地下埋管换热器设计.暖通空调.2005年第35卷第11期:76-79

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