北方地区某中学地源热泵空调系统优化设计

刘峰 刁乃仁 李智勇 宗浩

北方地区某中学地源热泵空调系统优化设计

刘峰 刁乃仁 李智勇 宗浩

山东建筑大学热能工程学院

从学校建筑的建筑特点、功能特性、不同功用建筑使用时间的交错现象以及寒暑假等几个方面，详细分析了的学校建筑负荷特性。通过对各冷热源方案的技术性、经济性比较，并结合业主意见确定选择地源热泵系统。分析了地源热泵系统地埋管换热器的冷热平衡问题，并对室外地埋管及热泵机房设计作了简要介绍。

中学冷热源地源热泵地埋管换热器

1工程概况

济宁一中新校区建设地点位于山东省济宁市。新校区总建筑面积约计176710m2，其中地上建筑面积为166771m2，整个校区主要分为教学区、行政办公区、公共服务区、生活区等，其中有教学楼（6栋）、宿舍楼（6栋）、实验楼、食堂、风味餐厅、图书科技楼、艺术楼、报告厅、体育馆等。最高建筑高度为39.5 m，制冷机房单独设置在室外地下。

2负荷分析

根据室内外设计参数、各建筑围护结构的热工性能以及使用特性，并考虑学校的寒暑假，按照间歇性空调运行模式计算的各建筑的冷热负荷结果如表1所示。

图1济宁一中新校区总平面图

表1 各建筑冷热负荷

对于学校尤其中学来说，各建筑的使用时间交错性非常明显。教学区建筑如教学楼、实验楼、图书科技楼、艺术楼等使用时间基本一致，均为白天使用。由于中学学生管理的严格性和集中性，宿舍楼的使用时间正好和教学区建筑的使用时间形成互补，错时运行。食堂、风味餐厅的使用时间仅为间断性的就餐时间。体育场的时间则具有不确定性。另外，本中学除对外交流中心和行政办公楼以外的建筑寒暑假均停用，各建筑具体的使用时间如表2。

表2各建筑使用时间

由于学生课程管理的特性，教学楼、实验楼、图书科技楼、艺术楼等建筑的同时使用率各不相同且都小于100%。各建筑具体的同时使用系数如图2所示。

图2各建筑不同时刻的同时使用系数

考虑到教学区建筑、宿舍楼、食堂及体育馆等建筑使用时间的交错性并在寒暑假期停止使的特性，将单独设置一冷热源（冷热源1）对上述建筑进行集中供热制冷以减小装机容量。机组的装机容量将根据上述建筑的计算负荷并考虑到各建筑在不同时刻的同时使用系数进行叠加计算（图3～4），并将叠加最大值作为设计依据。对于使用率较高且全年连续运行的行政办公楼和对外交流中心另设置冷热源（冷热源2）进行集中供热制冷。通过叠加得到的冷热源1的最大冷负荷为10948kW，最大热负荷为10080kW；冷热源2的最大冷负荷为1198kW，最大热负荷为1244kW。

图3寒暑假期停用建筑叠加冷负荷

图4寒暑假期停用建筑叠加热负荷

3空调冷热源方案的选择

根据该建筑的市政资源条件、场地条件、建筑功能及负荷特点，对有可能适合本项目的冷热源方案进行了比较分析（表3）。

表3冷热源方案比较

根据各方案的技术性与经济性比较可以看出，方案1以地源热泵系统作为冷热源具有较好的节能效果，初投资较高但运行费用低；方案2以冷水机组+锅炉房作为冷热源，运行简单、技术成熟，初投资费用最低但运行费用很高，且污染严重；方案3以VRV系统作为冷热源，初投资费用最高，运行费用也比较高，节能效果不明显。通过以上的比较并结合业主对地源热泵系统的慎重考察，决定采用方案1。地源热泵系统符合当前国家节能减排的方针政策，且运行稳定、运费较低，相对于方案2来说回收期为8.4年，按照地源热泵系统50年的寿命从长远来看，其具有相当高的经济效益。

4地埋管热平衡分析

地源热泵是一种利用大地作为冷热源的热泵，通过热泵机组对建筑物实现供热、制冷。地下蓄热体的冷热平衡对于地源热泵系统的长期、高效的运行起到至关重要的作用。

结合本中学的实际情况，假定冷热源1夏季运行天数为50天，冬季运行天数为70天；冷热源2夏季运行天数为90天，冬季运行天数为120天，机组运行系数取0.7，每天的使用时间参照表2，运行负荷参照图2～4。

夏季向土壤排放热量：

式中：Qc为日累加冷负荷，根据夏季各建筑使用时间及运行负荷叠加累计；n为运行天数；α为机组运行系数；copc为机组夏季制冷能效比，取5.0。

经计算：Qp=7272045kWh。

冬季从土壤吸取热量：

式中：Qh为日累加热负荷，根据冬季各建筑使用时间及运行负荷叠加累；coph为机组冬季制热能效比，取4.0。

经计算：Qx=6580363kWh。

从上述结果可看出，地下释热量略大于从地下吸取热量，不平衡率为9.5%。地下的温度变化总体上呈缓慢上升的趋势，对山东地区来说，这有利于冬季的供暖。值得注意的是，即使设计工况为理想工况，即地下岩土的取热与散热在一个周期内达到平衡，但在实际运行中，地下岩土的年吸、释热量并非要求绝对的平衡，模拟设计结果表明不平衡率在±15%以内是可以接受的。

5地源热泵系统设计

5.1室外地埋管设计

根据系统的冷热负荷、岩土热物性测试报告及当地的地质条件，采用“地热之星”模拟软件对该地源热泵系统进行设计模拟。根据模拟结果，设计采用竖直双U型De32地埋管，管材HDPE100。为了加强管群换热的强度，钻孔间距与行距设为5m。考虑当地的地质条件及钻孔难度，钻孔设计深度为100m，钻孔数为2430个，竖直地埋管总长度为243000m，孔径150mm。水平主干管采用同程式连接方式，竖直埋管采用并联方式，4或6个钻孔组成一个水平环路并以联箱连接，就近通过钢塑转换接头连接到室外分集水器，共分409组。

图5 4个钻孔环路连接示意图

图6 6个钻孔环路连接示意图

5.2地源热泵机房设计

根据叠加所得到的冷热源1和冷热源2的最大冷、热负荷，设计冷热源1设置3台热泵机组，单机制冷量为3664kW，制热量为4006kW；冷热源2设置2台热泵机组，单机制冷量为609kW，制热量为664 kW。地源侧冬季供回水温度为8℃/4℃，夏季供回水温度为26℃/30℃；空调侧冬季供、回水温度为45℃/40℃，夏季供、回水温度为7℃/12℃。热泵机组与地源侧循环水泵、空调侧循环水泵一一对应设置，循环水泵冬夏季共用。地源热泵系统原理图如图7所示。

图7冷热源1系统原理图

节、控制，达到中央空调通风系统的平衡，保证空调远端用户送风量，保证不因为风阻加大，影响空调效果。

4工程效果

项目于2012年11月开展，历时45天，共完成89套静音箱和风管改造。改造之后对各房间再次进行了噪声监测（表2），房间噪声明显降低，工作和休息环境得以明显改善。

表2生活楼部分房间噪声强度检测结果及评价

[1]高红武.噪声控制技术(第2版)[M].武汉:武汉理工大学出版社,2009

[2]陆桂林,朱仲文.离心风机涡流噪声的研究[J].上海交通大学学报.1989,(4):42-46

[3]王孚懋,任勇生,韩宝坤.机械振动与噪声分析基础[M].北京:国防工业出版社,2009

[4]盛美萍,王敏庆,孙进才.噪声与振动控制技术基础(第2版) [M].北京:科学出版社,2001

Optim iza tion De s ign of Ground-Sourc e He a t Pum p Sys te m for a Middle Sc hool in Northe rn China

LIU Feng,DIAO Nai-ren,LI Zhi-yong,ZONG Hao
School of Thermal Engineering,Shandong Jianzhu University

Architectural characteristics,functional characteristics,service time stagger phenomenon of different utility buildings,winter and summer vacation were all concerned to analysis the cold and heat load characteristic of school buildings.Combined the technical and economical comparison of different heat and cold source schemes with the owners’opinions,ground-source heat pump system was choose as the cold and heat source.The cold and heat balance of ground heat exchanger was analyzed,and the design of the outdoor buried pipe and the heat pump equipment room was briefly introduced.

middle school,cold and heat source,ground-source heat pump,ground heat exchanger

1003-0344（2014）05-092-4

2013-8-19

刘峰（1988～），男，硕士研究生；山东省济南市山东建筑大学热能工程学院（250101）；E-mail:liufeng2128@163.com

“十二五”国家科技支撑计划子课题（2012BAJ06B03-01）