北京市某研发楼地源热泵空调系统设计方案

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1、北京市某研发楼地源热泵空调系统设计方案1工程概况北京市某研发办公楼，总建筑面积为11500m2。其中地下一层包括餐厅、厨房、车库及各种设备用房；地上三层包括办公室、会议室等，建筑高度为12．37m。该工程集办公室、会议室、餐厅为一体的综合性建筑，使用功能相对复杂。业主对建筑外观要求较高，要求屋顶有冷却塔影响视觉效果及空调系统在日后的空调制冷和供暧运行中费用相对低廉。结合以上要求及该工程的实际情况，设计中采用了地源热泵。空调室内设计参数：夏季Tn=25~C～27~C，=50％～65％；冬季Tn=18~C一22~C，

2、=40％～55％。该工程夏季空调逐时计算总冷负荷为1063．8kW，冬季供暧负荷1097kW。空调冷(热)源由地下室冷冻主机房的两台螺杆式地源热泵机组提供，每台热泵制冷量为577.7KW，制热量为622．2KW，夏季冷冻水供回水温度7~C／12oc，冬季热水供回水温度45~C／40~c。水系统循环动力由六台循环水泵提供2地源热泵系统2．1地源热泵系统可行性评价经北京市地质工程勘察院勘查得出的地源热泵系统地质调节评估报告表明，该地区Om一100m土壤每变化1℃，可排放或吸收热量约为Q7．30×10。kJ。依据采暖通

3、风与空气调节设计规范，北京地区制冷天数为103天，供热天数为129天。由于为办公楼，夏季每天供冷约为14小时，冬季每天供暖16小时，热泵使用季节系数0．51(不同时间，系统运行负荷不同，只有很少的时间系统能达到满负荷运行。通常10％的时间，负荷在90％以上；30％的时间，负荷在60％以上；60％的时间，负荷在4O％——根据美国ARI标准和中国行业标准JB／T4329-97)。可以由下述公式和上述参数计算出一个制冷季或供暖季建筑物向土壤排放或吸收的热量：Q_-Q×(I+I／COP)(1)Q。：Q。X(1—1／COP

4、。)(2)其中：Q——夏季向土壤排放的热量，kw；Q——夏季设计总冷负荷，kW；Q。——冬季从土壤吸收的热量，kw；Q厂冬季设计总热负荷，kW；COP——设计工况下水源热泵机组的制冷系数；COP?——设计工况下水源热泵机组的供热系数。根据公式(1)、(2)可得则一个制冷季建筑向土壤排放的热量为：QR=1273．6×0．51X14X103X3600=3．37X10kJ，小于QR=7．3O×1OkJ，表明经过一个制冷季该区域土壤温度升高小于1℃。一个供暖季建筑从土壤吸收的热量为：QR=854．3X0．51X16X12

5、9X3600=3．23X10J，小于Q7．3O×1O。kJ，表明经过一个供暖季该区域土壤温度升高小于1℃。计算结果显示经过一个制冷季与供暖季后，热泵向土壤所排放能量与从土壤吸收的热量大小基本相当。说明该项目地源热泵系统运行一个制冷季与一个供暖季后，地下热量基本保持平衡。因此该工程采用地源热泵系统形式，利用该地块的浅层地热能制冷和供暖是可行的。2．2地下热交换器设计2．2．1选择热交换器形式该工程绿化面积较大，场地空间丰富，所以采用U型管垂直并联的系统型式，地埋管可以布置在该工程绿地及部分道路下。2．2．2确定埋管

6、管长地下热交换器长度的确定除了和系统布置形式及管材有关外，还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等。文献介绍了一种计算方法共分9个步骤，很繁琐，并且部分数据不易获得。在实际工程中，可以利用管材“换热能力”来计算管长。换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量，一般垂直埋管为70W／m～1lOW／m(井深)，或35W／m一55W／m(管长)，水平埋管为20W／m一40W／m(管长)左右，双U埋管换热量一般为单U埋管的1．25—1．3倍。计算埋管长度，取换热能力的下限值35W／m，通过公式：L=QX100

7、0／(35X1．25)=1273．6×1000／(35×1．25)=29110．8m其中：L——双U埋管长度，m；Q——夏季向土壤排放的热量，kw。2．2．3确定竖井数目及间距国外竖井深度多数采用50m～lOOm，本工程竖井深度定为lOOm，通过公式计算可得：N=L／(2×H)=29110．8／(2X100)=145个其中：N——竖井个数，个；L——双U埋管长度，m；H——竖井深度，m。根据(《地源热泵系统工程技术规范》4．3．8条，竖井钻孔间距应满足换需求，间距宜为3m～6m，根据本工程地形地貌以及管路水利平衡

8、，确定钻孔间距为5m，布置6对供回水集管，每对集管对应28个150mm的孔，共计168个孔2．2．4管径选取及水力计算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、25m