LINKS

地址:山东省济南市市中区经四小纬四路4号 电话:0531-87913036 传真:0531-87913036 邮箱;sd3s000@163.com
页面版权@2015山东省建筑设计研究院有限公司第三分院 鲁ICP备11008369号 专业于医院设计,医院规划设计,医院建筑设计,儿童医院设计,妇幼保健院设计,山东省建筑设计院   

友情连接:山东专利申请 大篷车演出 广告扇子厂家 济南网站建设 合力叉车价格

 

建筑设计

 

资讯中心

Information Center

地埋管地源热泵系统设计要点探讨

浏览量
地埋管地源热泵系统设计要点探讨
                                                  山东省建筑设计研究院   任照峰 于晓明
摘要 :本文通过研究在某医院工程中采用的地源热泵系统设计,分析了地源热泵系统设计应用的限制条件,探讨了设计地源热泵系统时需要注意的关键问题,解决了地埋管换热器敷设在主楼基础下的技术难点。
关键词: 地源热泵系统 设计要点 地埋管 主楼基础
1 引言
我国的能源形势非常严峻,一方面是我国的经济发展很快,现在经济总量已经超过日本,成为世界上第二大经济体;另一方面,根据国内外测算,我国已经或者是即将超过美国,成为世界第一大能耗国。
我国现在已经是第一大碳排放国、第一大能耗国、第二大经济体,我国的能耗人均量也超过了世界的平均水平。做为能耗大国,我国十一五的节能指标能否完成仍然是未知的,很多地方采取了极端的做法,比如停电拉闸等措施。
节能优先是解决中国能源问题的首要选择。国家十一五规划发展纲要提出,十一五末单位国内生产总值消耗要比十五期末降低20%左右。具体采取了如下措施:按地区分解单位GDP能耗指标;设立节能统计、监测、考核指标体系和目标责任制考核评价制度;调整产业结构、淘汰落后产能;推进十大节能工程;实施千家节能工程;实施新的节能法等措施。
2010年10月18日通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十二个五年规划的建议》指出,“坚持把建设资源节约型、环境友好型社会作为加快转变经济发展方式的重要着力点。深入贯彻节约资源和保护环境基本国策,节约能源,降低温室气体排放强度,发展循环经济,推广低碳技术,积极应对气候变化,促进经济社会发展与人口资源环境相协调,走可持续发展之路。”这一论断继续强调建设资源节约型,环境友好型社会的重要性。
从设计行业来说,建设资源节约型、环境友好型社会,发展循环经济,需要我们在设计中根据工程的具体情况,采取多种多样的节能技术,并合理应用于工程实践中。
2 地埋管地源热泵系统应用情况概述
2.1 系统研究应用背景
国外关于地埋管地源热泵系统的研究始于1912年瑞士人H ZOELLY提出的土壤源作为热泵热源的设想。第一次关于土地埋管地源热泵系统的研究高潮始于20世纪50年代的欧洲和美国,当时代表人物是Ingersol和Plass,提出了地下埋管传热的线热源理论。由于当时低廉的能源价格,地埋管地源热泵系统在经济分析上并无优势,所以这一研究高潮很快就告一段落。始于1973年的石油危机,为地埋管地源热泵系统的发展带来了又一次机遇,使得地埋管地源热泵系统的研究上了一个新台阶。资料表明,在美国能源部的支持下,美国多所大学和NBL、ORNL等多所实验室承担了地埋管地源热泵系统大量研究工作,并取得了大量研究成果。同时期,欧洲建立了很多水平埋管地埋管地源热泵系统用于冬季供暖。地埋管由金属管被塑料管替代。进入20世纪90年代后,地埋管地源热泵系统进入了一个快速发展时期,研究部门除进行了地埋管的强化传热研究之外,还进行了大量实际工程应用总结及性能比较分析。
国内关于地埋管地源热泵系统的研究始于20世纪80年代末,先后有多所大学、研究机构建立了地埋管地源热泵实验室,对地埋管地源热泵系统进行了研究。主要研究内容有:水平蛇形埋管、垂直U型埋管传热试验研究;土壤源-太阳能复合热源研究等等。90年代末,20年代初开始,中国已经开始应用于工程实践,最近几年地埋管地源热泵系统发展形势更加迅猛。
2.2 系统应用存在限制条件
    1、土壤导热系数较小,换热量较小。当供热量一定时,换热盘管占地面积较大,所以需要足够的埋管区域。在已有地源热泵项目中,绝大部分项目地埋管均埋设在室外场地下土壤内。而相当数量的工程,尤其是位于繁华区域的项目,无法提供足够的室外埋管区域,使用地源热泵系统受到限制。
2、系统受低位热源条件的制约,除了要有足够埋管区域,还要有适合的岩土体特性。坚硬的岩土体将增加施工难度及初投资,而松软岩土体的地质变形对地埋管换热器也会产生不利影响。埋地换热器受土壤性能影响较大,不同地区、不同气象条件下的岩土热物性甚至会导致单位管长换热能力差别达到3倍以上。为此,在设计方案时,必须先进行土壤热物性测试,并根据测试结果对地埋管换热系统实施的可行性及经济性进行评估。
3、地埋管地源热泵系统设计相对复杂。低位热源换热系统是地源热泵系统特有的内容,也是地源热泵系统设计的关键和难点。地下换热过程是一个复杂的非稳态过程,通常需要借助专用软件才能实现;地源热泵系统设计应考虑低位热源长期运行的稳定性,方案设计时应对若干年后岩土体的温度变化进行预测,并根据预测结果确定应采用的系统方案及运行策略;由于受客观条件限制,地源热泵系统通常采用混合式地源热泵系统,即采用辅助冷热源与地源热泵系统相结合的方式,需要合理确定辅助冷热源,对冷热源方案进行优化,增加了方案设计的难度。
    4、地埋管系统初投资高。与常规空调系统相比,投资高主要是因为地埋管部分造价高。
3 地源热泵系统设计需要注意的问题
由于存在上述限制,所以在地源热泵系统设计中需要针对上述问题,综合考虑各种因素,才能完成一项合理优化的地源热泵系统。具体叙述如下:
3.1 岩土体热物性测试
岩土体热物性的确定是地埋管地源热泵系统设计的前提,必须由建设单位在方案确定之前委托专业公司进行。《规范》中规定“地埋管换热器设计计算宜根据现场实测岩土体及回填料热物性参数进行”。岩土体热物性可以通过现场测试,以扰动-响应方式获得,即在拟埋管区域安装同规格同深度的竖直埋管,通过水环路,将一定热量(扰动)加给竖直埋管,记录热响应数据。通过对这些数据的分析,获得测试区域岩土体的导热系数、扩散系数及温度。分析方法主要有3 种,即线源理论、柱源理论及数值算法。实际应用中,如有可能,应尽量采用两种以上的方法同时分析,以提高分析的可靠性。在测试时,选择与工程相适应的测试设备。测试设备有两种,一种是小型便携式,一种是大型车载系统,后者可以提供较大能量加热系统,最新设备还可以提供冷冻水测试冬季运行工况,具有更好精度及可靠性。
岩土体热物性测试完成后,根据测试结果及空调负荷计算进行冷热源方案技术经济比较,判断采用地埋管地源热泵系统的合理性,并确定合理的冷热源及辅助冷热源设计方案,根据设计方案及岩土体热物性测试结果,通过计算,进行地埋管设计。
3.2 空调负荷计算问题
空调负荷计算时,需要考虑如下因素:
1、首先计算夏季最大逐时冷负荷、冬季最大热负荷。
2、其次根据运行策略中冬夏季系统运行时间,进行全年逐日能耗计算。进行计算后,对数据进行分析,分别统计出各种负荷率下的使用时数。比如50%负荷下,使用小时数。
空调负荷计算软件比较多,包括各种暖通辅助设计软件基本都带有负荷计算软件,如天正、浩辰、鸿业等暖通设计软件均带有负荷计算软件。但是国内能耗分析软件相对较少,国内最早开发的能耗分析软件是清华大学dest软件,后续陆续有一些软件公司也开发出了能耗分析软件,如华电源的HDY SMD3.5等。
能耗分析软件仅仅是个工具,要进行好建筑的能耗分析,需要建立许多模型,除建筑本身的维护结构模型及当地气象数据模型,还需要建筑内人员、新风、设备、运行时间等数学模型。这些模型的精准度直接影响能耗分析的计算结果的可信度。
研究表明,在建立全年能耗分析模型时,空调运行时间、人员密度、新风指标等几个因素对计算结果影响较大。所以建立模型时,要慎重考虑选择这几个因素,否则其计算结果的可信度会大大降低。

本工程各种负荷率下使用时数分布表如下:

负荷率

(%

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

时数百分比(%

1

2

4

4.5

5

7.5

6.5

5.5

5.5

5

5

 

负荷率

(%

60

65

70

75

80

85

90

95

100

 

 

时数百分比(%

5

3

3.5

4.5

6.5

7

8.5

5.5

5

 

 

 

 

负荷率

(%

<=5

<=10

<=15

<=20

<=25

<=30

<=35

<=40

<=45

<=50

<=55

时数百分比(%

1

3

7

11.5

16.5

24

30.5

36

41.5

46.5

51.5

 

负荷率

(%

<=60

<=65

<=70

<=75

<=80

<=85

<=90

<=95

<=100

 

 

时数百分比(%

56.5

59.5

63

67.5

74

81

89.5

95

100

 

 

3.3 确定冷热源方案(包括确定辅助冷热源部分)
根据空调负荷计算及全年能耗分析情况,合理确定地埋管部分承担的冷热负荷,其余部分由辅助冷热源承担。
确定地埋管部分承担的冷热负荷时,有以下几个原则:
1、运行可靠、便于维护管理的原则。
2、经济性比较好,系统使用周期内总成本较低。
3、便于运行调节,便于实施制定的运行策略。
通常情况下,冷热源方案可以有下几种:
方案1:当冬季热负荷较小,不设置冬季辅助热源时,直接用地源热泵机组承担全部冬季热负荷。夏季冷负荷主要由地源热泵机组承担,不足部分由带冷却塔的水冷冷水机组承担。
方案2:当由于工程特点,导致夏季冷负荷较少,冬季热负荷较大时,可以考虑由地源热泵机组承担全部夏季冷负荷,冬季热负荷主要由地源热泵机组承担,不足部分采用辅助热源。
方案3:当由于工程特殊性,需要保证空调系统可靠性时,在设置地源热泵的同时,可以设置其他替代冷热源。当地源热泵出现故障时,仍能满足基本供热供冷需求。地源热泵负担的空调冷热负荷比例,可根据经济分析比较结果确定。
3.4 地埋管部分延长米计算及地埋管设计
确定了地源热泵机组承担的空调冷热负荷后,就可以根据空调冷热负荷及地源热泵机组COP来确定地埋管换热器的换热量。
需要注意的是,地埋管换热器的换热量需要在冬夏两种工况下进行校核。假定热泵机组需要承担的空调冷负荷为Q冷,承担的空调热负荷为Q热,地源热泵机组在设计制冷工况下的COP为COP冷,设计制热工况下的COP为COP热。则地埋管换热器夏季换热量为
Q夏=Q冷*(1+1/COP冷)(忽略了水泵温升等其他热量)
地埋管换热器冬季换热量为
    Q冬=Q热*(1-1/COP热)(忽略了水泵温升等其他热量)
根据岩土热物性测试结果及地埋管换热器冬夏季换热量就可以计算出地埋管换热器延长米。地埋管计算及设计需要专业软件来完成,国外主要有如下几种:建立在g-functions算法基础上瑞典隆德Lund大学开发的EED程序,美国威斯康星Wisconsin-Madison大学Solar Energy 实验室(SEL)开发的TRNSYS程序以及美国俄克拉荷马州Oklahoma大学开发的GLHEPRO程序等。国内许多大学也在进行类似软件的开发,有些已经应用于实际工程当中。
3.5 运行策略的制定
在设计时,需要考虑建立适当的运行策略,以保证在尖峰负荷时,地源热泵系统与辅助冷热源联合运行,能满足室内最大负荷的需要。在平时运行时,地源热泵系统和辅助冷热源的联合运行,保证土壤蓄热蓄冷的平衡。可以采取的手段是建立埋地蓄热总量与埋地盘管的供回水温度的关系式,根据埋地盘管的出水温度,判断地下蓄热蓄冷情况。根据地下蓄热蓄冷情况,适当时候开启辅助冷热源,避免土壤过热或过冷,影响地源热泵系统空调效果。
热平衡分析以建筑全年能耗分析数据为基础,根据制定的运行策略进行模拟运行,研究土壤温度在一个空调供冷供热周期内(一年)的变化,确定土壤温度变化是否在控制范围之内,是否可以保证地源热泵机组正常运行。如果模拟运行不能满足需要,则需要优化调整运行策略,直到土壤温度变化满足需要为止。
如果不做土壤热平衡分析,当吸、释热量不平衡时,会造成岩土体温度的持续升高或降低,导致进入水源热泵机组的传热介质温度变化很大,使热泵机组性能系数降低,不仅影响地源热泵系统的供冷供热效果,也降低了地源热泵系统的整体节能性。所以《地源热泵系统工程技术规范》GB 50366—2005明确规定,“地埋管换热系统设计应进行全年动态负荷计算,最小计算周期宜为1 年。计算周期内,地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡。”
3.6 地埋管换热器在建筑主楼基础下敷设的设计
在作者2008年设计的某医院门诊病房综合楼工程中,根据计算,需要敷设地埋管总长度为60000m。按每个岩孔平均深度100m计算,需要大约600个钻孔。其中室外可供埋管空间有限,仅能布置钻孔300多个。为了解决地埋管空间问题,经与土建专业协商,考虑把其余地埋管钻孔布置在主楼基础下方,主楼基础面积约10000m2。
土建专业经过对当地地质条件验算,对基础进行了适当调整和加强,同意地埋管敷设在基础下方,同时考虑了管道穿过基础的防水及管道保护问题。在进行该地埋管方案设计时,查阅了大量资料,未发现地埋管大规模应用于基础下方的工程实例。仅仅发现了个别工程,在单层地下车库下方布置地埋管换热器。单层车库由于基础一般采用独立柱基,相对来说容易实现地埋管换热器的布置。而高层建筑基础由于柱子的不规则布置,基础形式多样,有独立柱基,有条基,还有筏板基础,所以布置地埋管换热器时,需要慎重考虑,并做相应计算及调整。另外在基础下方布置地埋管换热器,还要考虑地埋管分支管道及主管道的敷设问题,如果需要时,还应设置管沟,并考虑管道穿管沟壁时的防水问题。
地埋管在基础下敷设,要考虑对基础的影响。施工时需要采取一定措施,保证回填层的夯实密度和承载力。
地埋管布置在基础下方和室外空地,其埋设深度有不到10米的差别,在设计时需要注意。
4 结论
在地源热泵系统设计前,要进行岩土热物性分析、空调负荷计算、全年能耗分析、土壤热平衡分析。在地源热泵系统设计过程中,要重点关注地源热泵系统承担的空调冷热负荷的确定,这一点直接影响到地埋管换热器的大小,从而影响地源热泵系统的经济性。
当室外地埋管埋管空间不足时,经过经济技术分析,并结合当地地质情况,可以考虑在主楼建筑下部埋管。这部分设计需要与土建专业密切配合,以解决可能存在的技术问题。
   尽管地源热泵存在着诸多限制条件,但是地源热泵仍是最有前途的节能装置和空调系统。随着能源形势日趋紧张,国家采取节能减排、发展低碳经济的国策,地源热泵应用会越来越广泛。
  参考文献
  [1] 付卫红.单、双U 型地埋管地源热泵系统热工特性及经济性的研究.天津大学.2007.
  [2] 何小润.试论绿色建筑.株洲师范高等专科学校.2002(7),6;82-85.
  [3] 赵军,张春雷,王健等.地源热泵在实际工程中的应用与研究[J] .天津建设科技,2003,(5):14-16.