235 某小区地源热泵空调系统设计

某小区地源热泵空调系统设计与分析武汉和创建筑工程设计事务所有限公司程旦摘要：该工程为大型居住小区，通过对该工程的空调系统设计的介绍，分析了小区集中空调设计中存在的问题，提出了自己的一些设计理解。同时对地源热泵空调系统在本工程中的一些做法进行分析，提出了适应本工程实际情况的实施方法；介绍了地源热泵系统在确定埋管方式和深度时需要注意的一些问题；对空调计量系统进行简单的探讨和分析。关键词：空调负荷同时系数地埋管热力性能节能地源热泵1.工程概况与设计依据：该小区位于大学校区内，是个大型教工居住社区，总建筑面积（纯住宅）达到208044m2，其中高层住宅（18层）面积为128466m2，小高层住宅（11层）面积为79578m2。其中高层住宅下面有地下车库，面积约为16500m2，原设计留有一设备机房。居住户数1491户，为统计方便按1500户考虑，其中高层住户按900户，小高层住户按600考虑。2.空调系统设计参数：根据甲方的设计要求和对设计条件的比较和分析，决定在本小区采用地源热泵中央空调系统，按照《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》要求，住宅部分冬季采暖室内设计温度取18℃；夏季空调室内设计温度取26℃，相对湿度取65%。其中卫生间不设空调。3.空调系统设计：3.1末端系统形式：各舒适性空调区末端采用风机盘管系统，风盘回风系统加过滤器，以保证室内空气品质。新风通过门窗自然渗透。3.2空调负荷：3.2.1实际运行负荷的分析：分析设置集中空调系统的住宅的空调负荷是一个复杂的问题，因为末端的实际负荷（即空调末端对冷冻水的需求量）是随多种因素不断地变化的，如：季节交替、气候变化、昼夜轮回、人流量增减等。空调负荷是一个随机变化的量，且始终处于动态变化之中。因此住宅建筑的空调负荷更是受到小区性质、建筑标准、入住率、收费方式和当地居民生活方式等多个因素影响，变化情况复杂，很难总结出一条普遍适用的冷热源装机容量计算方法。我们应根据设计的围护结构参数，结合随机气象模型，采用先进的动态负荷模拟软件进行全年逐时负荷模拟，以便得到各个建筑物的全年动态负荷特性；然后根据住户特点、系统规模和空调末端形式等情况确定系统合理的同时使用系数；最后根据各个建筑物模拟负荷的叠加乘以同时使用系数确定整个系统的装机容量。3.2.2武汉地区节能建筑负荷模拟及分析下表为通过TRNSYS模拟得到武汉地区按节能建筑标准设计和建造的建筑物全年单位面积逐时负荷变化情况冬季典型日负荷变化情况夏季典型日负荷变化情况冬季典型月负荷变化情况夏季典型月负荷变化情况根据以上逐时的负荷计算我们可以发现，本工程作为住宅建筑，和公共建筑等相比较在空调形式和使用上有以下明显区别：（a）住宅建筑的同时使用率低，而公共建筑办公时间较一致，因此同时使用系数较高，但住宅建筑居民外出上班、学习的时间参次不齐，因此居住小区面积越大其用户空调的同时使用率就越低，其负荷的参差性就越大，计算上的中央空调系统满负荷运行的时间很难出现。（b）住宅建筑单位面积人员少、单位面积人员、设备、照明负荷均小于办公建筑，因此其冷热量指标也比公共建筑小。（c）住宅建筑采用风机盘管时，其室内卧室和客厅一般不会同时使用，故户内风机盘管也有一个同时使用系数，这实际上进一步降低了系统需要的装机容量。（d）住宅建筑夏季最大负荷一般出现在气温较高的周末，冬季最大负荷出现在春节前后，每日负荷峰值变化不大。（e）根据模拟数据统计，建筑物空调系统使用75%的时间实际负荷在峰值负荷的60%以下，只有不到3%的时间接近满负荷状态运行，负荷小时变化明显。（f）研究发现住宅小区同时使用系数前三年的变化趋势是先随着入住率的增长而增长，当稳定入住率大于90%后，同时使用系数随即缓慢稍有下降，但趋向于某一定值。这是由于新住户需要逐渐成为稳定住户，但住户越多同时使用系数越小造成的，对于规模较大的住宅小区，当采用风机盘管系统时，同时考虑户内和户间的同时使用系数，前者按0.6考虑，后者按0.8考虑，其乘积为0.48，则实际总的同时使用系数应在0.5左右。所以本工程同时使用系数为装机负荷考虑余量取0.6～0.7是经济合理、安全可靠的。（g）本工程住宅小区的日变化规律冬夏类似，但冬季负荷波动较小，平均在5W/m2左右，夏季波动较大，在20W/m2左右。冬季负荷主要受室外气象影响，夏季负荷主要受室外气象和室内人员活动规律影响。经过分析和计算：空调总冷负荷：8000KW；空调总热负荷：5500KW；1月单位面积热负荷变化图010203040501169337505单位W/m28月单位面积冷负荷变化情况-60-40-2001169337505673单位W/m21月3日单位面积热负荷变化情况151719211357911131517192123单位W/m28月1日单位面积冷负荷变化情况-40-30-20-101357911131517192123单位W/m23.3空调冷热源3.3.1系统划分整个小区设一个集中制冷机房，机房位于地下室3.3.2系统主机配置根据模拟数据统计，建筑物75%的时间实际负荷只占最大负荷的50～60%，高峰负荷只占全部时间的3%。因此选用机组时，既要考虑非满负荷时的调节方便，又要设备必须具备较大的容量调节能力。所以最好单台机组具有较好调节作用，非满负荷时可开部分机组，并使机组处于高效运行状态。同时机组和对应的水泵之间应能作好自动控制，以便负荷变化时相应的增加或减少运行台数。本系统设计时配置四台主机：1#主机一台，制冷量2500KW；2#主机三台，制冷量2000KW。3.4埋管系统设计3.4.1地质报告情况本项目拟建场地处于簸箕湖～黄龙山倒转背斜的核部，下伏基岩为志留系坟头组泥岩。该场地属长江右岸Ⅲ级阶地地貌。通过钻探揭露，场地内的地层以粉质黏土为主，含有部分风化岩石层。小口径钻孔比大孔径容易。场地内上层滞水分布于1～2＃孔一带的人工填土之中，埋深在0.90～0.96m；水量不大。3＃孔处无上层滞水。基岩裂隙水分布极小。微风化及未风化岩石完整性好，无裂隙水存在。本次勘察仅测定了场地25.0m深度内的地温变化情况，测试表明：地表0.00～6.00m深度内，地温随气温变化波动较大，一般在18～21℃内变化。6.0～25.0m以内，地温值波动较小，一般变化在19.6～20.3℃范围内变化，即20℃左右变化，25m以下温度趋于稳定。附：场地内主要地层的热物理试验指标详见下表。地层代号地层名称密度、状态及风化程度导热系数Cc(W/mk)导温系数Cs(m2/h)比热容C(kj/kg.k)备注①素填土松散///未测得②粉质粘土硬塑1.6640.001941.442③粘土硬塑1.7270.001951.441④粉质粘土硬塑1.7150.001921.430⑤1泥岩强风化1.8150.002700.760⑤2泥岩中风化1.9350.002900.800⑤3泥岩微风化2.1320.003400.819⑤4泥岩未风化2.1320.003400.819从测试报告可见，本项目所处位置上层滞水较少，没有裂隙水，因此不具备采用抽灌井式的地源热泵可能性，因为上层滞水为雨水渗透形成，不能保证连续抽取，抽灌井式地源热泵的前提条件是存在较为丰富的下层承压水，并且可以保证在抽取时可以从同层进行补充以保证连续抽水。本项目土壤温度分布特性较好，地下5米以下温度趋于稳定，其值在20℃左右，既低于夏季室外空气温度又高于冬季室外空气温度，因此地下土壤可以作为全年空调系统的冷热源使用。本项目土壤以粉质黏土为主，导热系数中等偏上，为正常地质情况，钻孔可以实行，土壤源热泵具备实施条件。3.4.2土壤热特性测试报告表1：测试孔基本数据井1井2垂直埋管段垂直深度/m7070垂直管长度/m280140水平连接管供水管长度/m1432（其中有20m管长没做保温）回水管长度/m1433（其中有15m管长没做保温）PE管品牌金牛金牛外径/mm3232内径/mm2626表2：单位孔深夏季的换热量供水温度流量温差换热量℃m3/h℃w/m孔深1#35.01.153.566.02#35.01.532.249.3表3：单位孔深冬季的换热量供水温度流量温差换热量℃m3/h℃w/m孔深1#6.01.143.259.02#6.11.542.643.8从上表可见，本项目土壤换热器具有较高效率，单位取放热特性属于中等偏上程度，W型土壤换热器单位井深换热效果是单U型的1.3倍。本项目实施土壤换热器型的地源热泵项目应该是不错的选择，由于下部岩石结构较厚，加上住宅连续使用的特性，建议采用了单U的方式。根据武汉市的气候特点和本项目上的负荷数据，发现冬夏二季冷热负荷偏差很大，为尽量减小系统热不平衡性，我们采取“混合式”埋管方式，即采用冷却塔和地埋管并存的方式，可以有效防止热不平衡的发生。3.4.3埋管量设计（a）计算公式：夏季向浅层地表排放的最大热量：)1(1EERQQ设夏+∑输送过程得热量+∑水泵释放热量冬季从浅层地表吸收的最大热量：)1(1COPQQ设冬+∑输送过程失热量-∑水泵释放热量（b）埋管设置：根据土壤热相应测试报告和相关计算依据和本工程的实际情况，经计算钻孔深度为100米，设计的钻孔孔数为1200个，孔径150mm。采用DE32HDPE管，单U方式布置。孔间距5m。由于整个小区规模大，垂直埋管与水平集管的连接不采用常用的设置地沟连接的方式，而是采用设局部集中连接小室，这样可以保证连接每个小室的地埋管水力平衡性较好，还便于埋管的维护与管理，具体小室大样见下图，共设有31组连接小室。而整个埋管系统分四个相互独立的环路直接连到机房的分、集水器，这样在非满负荷时间内，可以独立控制每个埋管环路的运行，避免地埋管系统出现使用不均的情况。在整个小区埋管系统中分组设立地下水温监测系统，监测信号远传至机房控制中心，便于及时了解各地下热力状态。连接各小室的水平环路采用同程式布置，直接接到中心制冷机房。3.5空调计量系统小区设立集中空调系统，对于计量一直以来是一个很麻烦的事情，总是给后期的管理带来许多纠纷和困难，计量方式很多，各有优缺点，很难从质量优劣上来判定一个系统的好坏，就目前的技术情况看，计量的准确度只是相对的，很难达到精确。本工程在确定计量系统时，也是经过多方实地考察和比较，决定各空调用户均设置专用时间型计量系统，就一些工程实例来看，使用时间计费系统为后期的运行管理带来一定的方便性。目前计量主要有一下几种方式：空调计量系统分析比较表：序号计量方式原理造价优点缺点1冷、热表通过水路系统计量每户的使用冷热量。高读取方便直接；设在屋外公共区，方便抄表。由于空调制冷工况循环水温差小，所以精度差、误差大，且容易堵塞，管理麻烦；需要设置较大的管井。2电表通过计量末端风盘的耗电量来折算空调使用费用低安装简单、费用低，可以户外抄表，方便管理。无需设置表井。通过电量折算空调使用费用的原理导致精度不高，误差大，还受认为因素干扰大。3专用计费系统（时间型）通过监测末端风盘的使用状态（风量、水量）来确定使用费用较高集中远传和控制，实现实时监控。无需设置表井。精度相对较高。需实现远传控制，安装比较麻烦。远传线路过长，存在信号衰减和干扰，影响精度3.6冷却塔由于武汉地区属于典型的夏热冬冷地区，且夏季时间较长，冬夏空调负荷相差较大，本想通过为用户提供一部分生活热水来减少这种不平衡，但从目前是很多实施情况看，集中卫生热水存在问题较多，主要是管理上的问题，所以本次设计时还是放弃了集中热水方案，为1#机组设置冷却塔系统，该机组同样配置了地埋管系统，可以根据检测情况来决定冷却塔的开启和关闭。3.7气流组织：各空调区域采用上（侧）送上回的气流组织。在非全吊顶区设局部吊顶，送风口采用双层百叶风口；在全吊顶区送风口采用方形散流器，回风口采用单层活动百叶风口，以确保整个空调区域温度和气流分布均匀。对于住宅新风系统，原来设计有分户独立的新风系统，但最后甲方决定取消该系统，新风只能通过门窗自然渗透。3.8空调水系统：本工程空调水系统采用变频一次泵闭式机械循环系统。（1）各楼栋户内管采用