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地源热泵技术在某市中心医院住院部大楼中的应用

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 地源热泵技术在某市中心医院住院部大楼中的应用
赵磊、李萍
(山东省建筑设计研究院,山东 济南  250001)
第一作者简介:赵磊,男,(1981.10—),山东费县人,毕业于山东建筑工程学院,本科,工程师;研究方向:医疗建筑给排水消防工程。身份证号:371325198110120017。
第二作者简介:李萍,女,(1972.02—),山东嘉祥人,毕业于重庆建筑大学,本科,高级工程师,研究方向:民用建筑给排水消防空调工程。身份证号:372801197202161046。
摘要:随着社会经济的发展和人口的爆炸式增长,环境污染、资源滥采已经成为目前最热点的话题。建筑行业作为耗能大户,采取绿色节能措施已是大势所趋。地源热泵技术作为一种新型空调系统,可以为室内提供恒定的温度,而耗能量仅仅是传统空调系统的50%左右。本文介绍了地源热泵的基本原理,并以某市中心医院住院部大楼为实例,详细介绍了该技术的具体应用情况,为以后类似工程积累了一定得成功经验。
关键字:地源热泵技术;节能环保;特点;应用分析
中图分类号:TU96+2             文献标识码:A
Ground source heat pump technology application in the city center hospital in-patient department building
Zhaolei.Liping
(Architecture design and research institute of Shandong,Shandong Jinan 250001)
Abstract:With the development of social economy and population explosion, pollution of the environment, resources, mining has become the most hot topic.Construction industry as a large energy consumption, green and energy saving measures are the trend of The Times.Ground source heat pump technology, as a new type of air conditioning system can offer indoor constant temperature, and energy is only about 50% of the conventional air conditioning system.This paper introduces the basic principle of ground source heat pump, and the hospital inpatient building at the center of the city as an example, introduces in detail the concrete application of this technology, to have successful experience for the similar projects in the future.
Keywords:Ground source heat pump technology;Energy conservation and environmental protection;Characteristic;Application analysis
0引言
从2002年至2012年,我国建筑业经历了“黄金发展十年”,全国各大城市都在兴建新楼盘,但节能建筑的新增面积仅仅占到楼房总面积的10%左右。据统计:我国建筑总能耗占到社会终端总能耗的20%以上,所以建筑节能对“节能环保”“可持续发展”具有很强的积极意义。地源热泵技术作为一种新型空调系统,其充分利用地热资源,可大幅度降低建筑能耗,发展前景广阔[1]。
1.地源热泵原理及特点介绍
在地下一定深度,一般不超过地表100m,土壤(地下水)温度常年保持在20-25°,而地源热泵技术其本质就是利用这些地热资源来打造室内空调系统。地源热泵技术只需要通过少量电能,便能实现低温和高温热源之间的相互转换。在夏季,系统可以将室内热量带入地下;在冬季正好相反(结构图见下图1)。这样就可以使室内保持一个令人舒适的温度。
 图1  地源热泵技术原理及结构示意图
地源热泵技术有以下几个显著特点:
(1)利用的是可在生能源。地热资源的来源是太阳能,地球地表收集的太阳能总量是人类目前利用量的500多倍,而且不受地域限制,可谓是一种取之不尽用之不竭的清洁能源;
(2)节能环保。地源热泵空调系统比传统系统运行效率大约高出40%,节能和节省运行费用也可达到40%以上。而且在运行中没有任何污染物的排放,也不需要设置堆放燃料废渣的场地,这就使该系统的建造地点不受任何限制,可以在居民区;
(3)应用范围广。地源热泵系统除了可以供暖、供冷之外,还能提供生活用水,一机多用,可以适用于宾馆、商场、学校、医院等大型建筑中,也可以用于别墅住宅中;
(4)寿命长,维护费用低。地源热泵系统的机械运动部件很少,这就保证其故障率很低。而且其地下部件使用寿命可达50年,地上部件寿命也能达到30年,此外该些部件几乎是免维护的。一般来说,用户的投资在3-5年之后便可回收[2]。
2工程概况
某市中心医院住院部大楼有23层,共设有各类病房超过420个,最多可接纳病人1300人。该大楼在2010年开工建设,建筑总面积约40000m2,总投资超过1亿元。住院环境对病人及家属的心理、情绪有很大的影响作用,打造舒适的住院环境对病人病情的好转、医院在顾客心中的印象都会起到积极作用,因而这方面工作必须重视。综合考虑到该医院位于市中心,周边交通有一定程度的拥堵,且居民区较多,用电压力较大,又考虑到节能环保等因素,最终决定大楼的空调系统采用地源热泵技术。
3地源热泵技术的具体应用分析
地源热泵分为三类,即:土壤源热泵、地下水源热泵和地表水源泵。考虑到该大楼的位置、性质、地质条件等因素,最终选取土壤源热泵作为该项目的空调系统。土壤源热泵系统的地下埋管分为垂直埋管、水平埋管、蛇行埋管。考虑到系统的稳定性、运行效率、占用场地等因素,最终选取垂直埋设U形形式。其施工工序主要包括:钻孔设计及施工→U形管的设计与安装→热泵机组及其他设备的安装→试运行[3]。
3.1钻孔设计及安装
(1)钻孔深度
垂直埋管式地源热泵的埋管深度分为浅层(小于30m)、中层(30-100m)和深层(大于100m)。随着埋深的增加,地热资源越稳定,但施工及设备成本会相应增加。结合本项目的地质水文条件,最终决定采用中层埋管,设计深度70-80m。本项目采用汽车钻机进行打孔作业,其具有移动灵活、成本较低,钻孔深度满足要求等优点。
(2)钻孔直径及数目
通过总结国内外的一些成功经验,本项目设计钻孔直径为150mm。而钻孔总数N可按照公式(4-1)计算。
                                                              (4-1)
式中:L ——换热器所需要的钻孔总长度,m;
          n ——U形管与孔深的比值,本项目取2;
          H ——钻孔深度,m。
通过计算,本项目需要钻孔数目为50个。
3.2 U形管的设计与安装
(1)U形管的材质选择
在U形管的选择上,需遵循以下几个原则:1.导热系数大,流动阻力较小,抗压能力满足使用要求;2.承受温度范围一般在-20-60°,且成本较低;3.管材不应是金属制品,且管壁厚度较小,一般不超过5mm;4.整根的长度够大,尽可能减少埋管接头数量。综合其他项目情况,聚乙烯(PE)和聚丁烯管(PB)应用较多,而聚氯乙烯管(PVC)由于导热性和可塑性较差,因而不宜采用。本项目选择聚乙烯管作为U形管材,管直径为40mm[4]。
(2)U形管布置形式的确定
在地源热泵技术中,U形管布置形式分串联、并联两种(示意图见下图2)。其中串联方式的特点如下:1.管内空气容易排出;2.换热性能高于并联方式;3.需采用较大直径管材,成本较大;4.若冬季温度太低,需灌注防冻液的数量较大。并联方式的特点如下:1.管材直径小,成本低;2.安装时需注意管内空气的排出;3.要求管道长度相差不大(10%以内)且流量相同。
实际应用经验表明:串联布管适用于浅层垂直埋管;并联布管适用于中、深层埋管。所以本项目最终选择并联埋管形式。
   
图2  垂直U形埋管串联(左)和并联(右)示意图
(3)U形管间距的确定
很多学者通过研究发现:如果地源热泵系统为长期间歇运行,则垂直埋管间距不小于3m足以,但如果连续运行,间距则需要适当增大,一般不小于5m。作为住院大楼,空调系统几乎是全年不停运行,所以在间距选择中适当增大。本项目技术人员通过参考某一与本工程相似的项目,发现埋管周围发生温度变化的土壤为3m左右,所以最终确定该工程垂直埋管间距为7m,为缩小施工场地面积,采用梅花形布置(见下图3)。
图3  钻孔布置示意图
(4)U形管的安装
目前,U形管的安装靠人力作业,其之间的连接方式包括电熔联接和热熔联接(包括承接联接和对接联接,一般应用于小管径管材中)。本项目选择热熔联接方式。在钻孔回填材料的选择上,应兼顾成本投入、传热性能等因素,目前常见的回填材料有混凝土、沙石散料和壤土等。其中混凝土由于造价高、施工难度大而在一般工程中不予采用,而壤土的传热性能较差,在对空调系统要求较高时也不宜采用。沙石材料换热效果好,且成本较低,故得到较为广泛的使用。本项目回填材料选用的是沙石[5]。
(5)流体介质的选择
在我国南方地区,由于冬季温度较高,一般温度会保持在0℃以上,所以把水作为地源热泵空调系统的流体介质完全满足使用要求。而在北方地区,在很多时候冬季温度在0℃以下,这就需要采取防冻措施。一般采取往水中加入的防冻液的方法,其种类包括盐类溶液(氯化钙、氯化钠)、乙二醇溶液、酒精溶液等。本项目位于我国华北地区,所以采用加入盐类溶液的防冻措施。
3.3热泵机组及其他设备的安装和试运行
地源热泵技术的使用除了需要充分与城建、环保等政府部门进行沟通,还要考虑到装修和其他设备安装情况。考虑到本项目大楼处于城市中心地带,可谓“寸土寸金”,所以在进行热泵机组及其他设备安装时,要遵循“少占地、位置靠边缘”等原则。此外,安装精度要符合相关设计要求规范。
系统完工后要进行试运行工作,需要对相关设备运行数据(温度、压力、流量等)进行采集,以便检测系统负荷、热泵实时效率等。这些数据的采集都是依靠传感器进行,传感器将信号采集到模块中,之后通过总线和中央控制计算机联接(具体流程见下图4),并建立相应数据库。在安装传感器前要进行严格检测,保证其质量过关,安装工作要在技术人员的指导下进行[6]。
 
图4  地源热泵系统监控结构框架图
4结语
本项目通过应用地源热泵技术,每年的空调运行费用降低约50%,且系统使用4年以来,运行状态良好,地面设备也仅仅需要定时清理及更换一些简单部件。从本文可以看出:地源热泵技术对施工及安装要求较高,而且初期投资较大,而且由于地质条件不同,各地区的施工成本也存在较大差异,所以在考虑该技术时首先应充分了解地质条件,做到因地制宜。
参考文献
[1]门小静.地源热泵空调系统的技术经济动态分析[D].武汉:武汉理工大学,2009,(05).
[2]李笑寒,余跃进.地源热泵技术对建筑节能的重要意义[J].沈阳:建筑节能,2007,11(25):35-36.
[3]苏登超,陈明九.地源热泵空调技术的地域性特征[J].北京:工程建设与设计,2007,01(20):46-47.
[4]于化伦,戴欣.地源热泵技术及经济性分析[J].沈阳:建筑节能,2011,02(25):68-69.
[5]谭超毅,王孟孟.神农大酒店地源热泵空调系统技术方案分析[J].株洲:湖南工业大学学报,2014,05(15):35-36.
[6]李鑫,刁乃仁.地源热泵空调系统运行测试分析[J].济南:科技信息(科学教研),2008,04(01):56-58.