桩埋管地源热泵+蓄能空调系统设计研究及运行能耗分析

桩埋管地源热泵+蓄冰空调系统的设计及能耗分析南京城镇建筑设计咨询有限公司绿色建筑技术应用研究中心2012.10一、前言一、前言•地源热泵技术是目前较为成熟的供暖制冷技术，可冬天供热，夏天制冷，具有高效节能、环境污染小、运行稳定可靠、运行费用低等优点。•与此同时，地埋管换热器较大的占地面积及钻井埋管高额的施工费用在一定程度上也制约了其广泛推广，特别是在寸土寸金的城市中心，建筑高度与建筑占地面积的比例越来越大，成为了采用这一节能技术的瓶颈。因此，利用结构桩埋管的换热器形式就显得尤为重要。一、前言•对于广大南方地区而言，大部分情况下冷负荷大于热负荷，特别是对于有餐饮功能的建筑，其夏季高峰冷负荷往往很大，如果按照冷负荷标准选择机组，则会导致机组的制热能力大大超出建筑物的热负荷需求，造成机组投资和运行浪费；若按照热负荷标准选择机组，则会出现夏季制冷量不足的现象。•同时，夏季供电高峰时期的电力供应紧张情况时有发生，因此，冰蓄冷技术也倍受人们的关注。一、前言将桩基埋管的地源热泵与蓄冰空调相结合，冬季仅热泵工作，夏季热泵和冰蓄冷空调共同运行，不仅可以降低地埋管换热器的初投资,而且还可以实现地源热泵机组的间歇运行,有利于土壤温度场的有效恢复。同时，这种系统还具有削峰填谷的功能。在提倡节约型社会的今天，采用桩基埋管地源热泵与蓄冰空调相结合的系统，不但符合国家的节能减排政策，也符合用户的根本利益。本文通过实际建成运行近两年的南京某广场空调系统为例，结合实际运行的各项参数介绍桩埋管地源热泵+蓄冰空调的设计并分析其运行能耗。二、工程概述二、工程概述2.1工程情况：该项目为地产商开发的综合性写字楼建筑，位于南京河西新城区。该建筑地下2层，地上19层，地下1～2层为停车库及员工食堂，1层为物业管理用房及银行，2～4层为餐饮、娱乐，其他层为办公建筑。地上建筑面积49416m2，地下建筑面积21411m2，总建筑面积70827m2，总用地面积13800m2。分主楼与辅楼两个部分。主楼建筑面积45006.59m2，空调面积38223.56m2。由于受到埋管等因素的限制，采用桩基埋管的地源热泵及蓄冰空调的建筑面积仅为14597.61m2，包括地下1层员工餐厅，1层物业用房、大堂，2层营业性餐厅及16～19层办公用房。其他部位采用多联机空调系统。二、工程概述二、工程概述2.2围护结构的建筑节能设计建筑外围护结构采用外墙外保温系统，干挂石材，内贴30mm厚挤塑聚苯板于外墙上，外墙传热系数K值为0.79[W/(m2•K)]；外门窗采用断热铝合金型材，中空低辐射玻璃，K值达到了2.0[W/(m2•K)]；屋面铺设40mm厚挤塑聚苯板，K值为0.61[W/(m2•K)]。对容易产生热桥的部位做保温处理。同时还采用了立面窗栅上外遮阳技术。图：干挂石材外墙外保温系统示意图：铝合金窗立面示意二、工程概述2.3空调末端情况空调末端采用风机盘管+新风的方式，新风采用带冷媒的转轮热回收新风机以便回收排风能量。图：转轮热回收新风机原理系统示意二、工程概述2.4地质情况该项目场地位于南京河西地区，地貌为长江漫滩。根据野外钻探鉴别、现场原位测试及室内岩土试验成果综合分析，场地岩土层分布自上而下分别为：0.5~59.1m为杂填土、素填土、淤泥质粉质粘土、细砂；57.2~62.5m为粉质粘土混卵砾石，卵砾石含量约15~20％左右，粒径2~5cm大小不等；59.3~63.1m为强风化泥岩、泥质粉砂岩；60.7~70.5m为中风化粉泥岩、中风化泥质粉砂岩。三、冷热负荷的确定三、冷热负荷的确定3.1全年负荷的确定采用全年空调负荷分析软件，得出全年负荷如下图。-600000-400000-2000000200000400000600000800000100000013597171075143317912149250728653223358139394297465550135371572960876445680371617519787782358593热负荷(W)冷负荷(W)三、冷热负荷的确定3.2典型设计日逐时冷热负荷的确定根据南京地区室外气象设计参数及业主对室内环境的要求，夏季设计最大冷负荷为1303.62kW，峰值热负荷为1007.76kW，各时段负荷分布如图1所示（18点以后考虑为加班负荷）：银城广场全热冷负荷0200000400000600000800000100000012000001400000时刻8时刻9时刻10时刻11时刻12时刻13时刻14时刻15时刻16时刻17时刻18时刻19时刻20时刻21时间冷量（W）银城广场全热冷负荷三、冷热负荷的确定银城广场热负荷020000040000060000080000010000001200000时刻8时刻9时刻10时刻11时刻12时刻13时刻14时刻15时刻16时刻17时刻18时刻19时刻20时刻21时间冷量（W）银城广场热负荷四、工程桩内埋管换热的研究四、工程桩内埋管换热的研究地源热泵系统中，地下换热器常见的埋管方式为水平埋管式和垂直埋管式。长江三角洲大部分地区的浅层土是软土，属第四纪沉积层，承载力差。该地区内高层建筑的基础普遍采用桩基，尤其以钻孔灌注桩居多。因此，地源热泵在有条件时宜采用工程桩内埋管的方式。该方式具有占地较少，换热能力高；减少钻孔和埋管费用低等优点。目前常用的桩内埋管有垂直埋管和螺旋埋管两种方式，根据调研，螺旋埋管受到起重机具和成品保护等因素的制约，在国内成功率较低。因此本项目采用的是灌注桩垂直埋管的方式。四、工程桩内埋管换热的研究本工程在桩径800mm，钢筋笼内径700mm的灌注桩内采用垂直埋管的形式，即埋入桩基的U型管一进一回形成环路，通过桩与周围大地进行换热。lm以下地下土壤温度仅受年平均气温影响，不再受日平均气温影响，这对热泵运行非常有利。桩埋管地源热泵系统夏季在土壤中蓄热，冬季从土壤中取热，这样冬夏季循环使用，形成了绿色热泵技术。四、工程桩内埋管换热的研究垂直桩埋管系统中存在的施工难点：（1）工期紧：要求施工进度追随桩基施工进度。（2）现场施工面不足：由于桩基施工全面铺开，土方堆放占用场地，大型机械进出较多，留有施工面小，难以开展大规模施工。（3）下管难度大：由于只能在钢筋笼内壁和混凝土导管之间下管，距离狭小，不易保证成功率。（4）成品保护：桩基施工都为大型机械开挖，对地埋管很容易造成损坏，特别是截桩施工，成品保护工作任务艰巨。四、工程桩内埋管换热的研究尽管桩内埋管存在一定的施工难度，但只要同桩基施工单位密切配合，严格按施工工艺要求去实施，还是可以保证较高的成功率的。在中心城区建筑楼层高，占地面积小，加之一般都有地下车库，所以采用工程桩内埋管是最适宜的方式。同时，还可以在保证换热器间距的同时在土壤中补孔埋管，充分利用地下换热资源。五、地下换热器的换热性能测试五、地下换热器的换热性能测试根据上述设计思路，我们委托南京工业大学暖通工程研究所进行了为期2个月的实地测试，获得了HDPE管在不同布置方式、不同工况下与桩基的实际换热能力数据，为该广场地源热泵换热系统设计提供了依据。试验及其结果分成两部分：排热试验和取热试验。五、地下换热器的换热性能测试5.1地源热泵换热测试装置。测试装置有恒温加热水箱和风冷冷水机组、水泵、控制系统以及其他一些辅助仪表。对HDPE管材在灌注桩内以外径25mm，双U型布管的换热测试。5.2排热试验排热试验模拟夏季的运行工况，从房间中取出来的热量，通过HDPE管排向地下土壤，测试地埋管在夏天的散热能力。试验结果为116W/m。5.3取热试验取热试验是为了确定HDPE管从土壤中的取热能力。试验结果为85W/m左右。五、地下换热器的换热性能测试5.5综合取值的确定根据试验数据，考虑到数据的稳定性，并参照国内外的土壤换热器的经验数据，最终确定：灌注桩内埋管254个、均深54米/口井，双U（DN25）型埋管，夏季放热75w/m桩深，冬季吸热60w/m桩深。由于工期的原因，最终放弃了在土壤补孔，只实施了桩内埋管。桩间距为8.4米，施工成功率为98%。六、地源热泵+蓄能空调系统方案六、地源热泵+蓄能空调系统方案6.1方案原理图DN125DN150埋管定压装置DN32DN25DN32DN32DN25DN25DN32DN25接软水器DN200DN200DN200DN200DN32DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN200图例双金属温度计压力表压力传感器温度传感器流量传感器球阀软接头止回阀截止阀电动开关阀电动调节阀自来水管手动蝶阀冷热水供水管路冷热水回水管路去冷却塔乙二醇管路来自冷却塔管道过滤器静态平衡阀安全阀运行模式DN25DN40DN25自来水管道DN32DN25DN25DN32DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN200DN125DN150DN150DN150DN200DN200接至埋管定压装置软水箱DN250回水管DN100回水管DN150预留DN150预留DN250供水管DN100供水管DN150预留DN150预留DN200DN200DN200地源水集水器自来水管道DN32DN150DN150DN150DN150DN200DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN150DN200DN200DN32DN25DN32DN32DN25DN25DN32DN25DN25S自来水管道DN25放样口DN25DN32DN125DN125DN125DN125DN125DN125DN125DN125DN40DN40DN40DN40DN150冷热水分水器冷热水集水器末端定压装置三工况地源热泵机组二工况地源热泵机组蓄冰装置蓄冰装置冷热水循环水泵乙二醇泵乙二醇补液泵冷却塔地源水分水器冷却水板式换热器冷却水泵换热循环水泵制冷板式换热器乙二醇补液箱乙二醇定压膨胀水箱系统设计总点数：AI=27AO=7DI=57DO=23Vi1Vi2、Vi5a、Vi6Vi4、Vi5aVi3、Vi6Vi1、Vi4、Vi5aVi3与Vi4Vi1与Vi2，Vi3与Vi4Vi2、Vi3、Vi6Vi1与Vi2关闭调节三工况主机单独供冷融冰单独供冷三工况主机与蓄冰装置联合供冷运行工况三工况主机制冰开启Vh2、Vi3、Vi5、Vi6、Vi7主机供热夏季供冷Vh1、Vi4夏季供冷：V1a、V2a、V3a、V4a、V5a、V6a、V7a和V8a开V1b、V2b、V3b、V4b、V5b、V6b、V7b和V8b关冬季供热冬季供冷：V1a、V2a、V3a、V4a、V5a、V6a、V7a和V8a关V1b、V2b、V3b、V4b、V5b、V6b、V7b和V8b开Vi5a、Vi6Vi5b、Vi7二工况主机供冷全自动软水器六、地源热泵+蓄能空调系统方案6.2地源热泵主机设备序号设备名称设备参数台数1三工况地源热泵机组制冰：372kW/100kW，制热：555kW/149kW，制冷：527kW/113kW12两工况地源热泵机组制热：585kW/150kW，制冷：577kW/114kW13冷热水循环水泵Q=100m3/h，H=35m，N=18.5kW34乙二醇泵Q=100m3/h，H=35m，N=18.5kW35换热循环水泵Q=120m3/h，H=35m，N=22kW36冷却水泵Q=120m3/h，H=26m，N=18.5kW3六、地源热泵+蓄能空调系统方案6.3蓄冰装置本系统按照主机优先模式进行设计。夏季采用2台带不完全冻结式导热塑料蓄冰盘管的1072kWh蓄冰槽储冷，每日夜间24:00～8:00共8小时的