既有建筑空調(diào)系統(tǒng)方案設計論文
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1項目技術改造方案設計
1.1空調(diào)的計算冷熱負荷
在濰坊市氣候條件下，節(jié)能公共建筑單位建筑面積設計冷熱負荷相對穩(wěn)定，空調(diào)總冷負荷2640kW，空調(diào)總熱負荷1650kW，冷指標為91W/m2，熱指標為57W/m2，每年的空調(diào)負荷具有很強的規(guī)律性。
1.2既有建筑技術改造方案
1.2.1地埋管換熱器地下熱平衡分析地埋管全年吸熱量Q取熱=1473.69MWh，散熱量Q散熱=1872.8MWh。在考慮了機組的耗功量后地埋管換熱器的散熱量與取熱量的比值要明顯高于建筑物所需的冷負荷與熱負荷的比值。地埋管的年累計放熱量與取熱量不平衡率為21.3%，地埋管側(cè)的峰值排熱負荷為3201kW，峰值取熱負荷為1144kW，兩者相差較大，如果按照冷負荷設計鉆孔井數(shù)，鉆孔費用較大，綜合考慮冷熱負荷平衡及鉆孔費用，可將一部分冷負荷采用原有模塊式空氣源熱泵機組承擔，不僅可以減少鉆孔數(shù)目，還可以平衡冷熱負荷。由上述冷熱平衡知:總排放熱量為1872.8MWh，總吸取熱量為1473.69MWh，不平衡率為21.3%，如果全部采用地源熱泵工程滿足冷負荷，地下的溫度變化總體呈上升的的趨勢，不滿足地源熱泵工程設計規(guī)范要求。
1.2.2初步設計方案根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)的顯示，系統(tǒng)原有40臺模塊式空氣源熱泵機組，單臺供冷量為60kW，為了最大程度地滿足冷熱負荷的平衡，同時避免鉆孔數(shù)目的過多，減少水泵能耗，該技術改造方案定為1臺螺桿式熱泵機組+19臺原有模塊式空氣源熱泵機組，原有模塊式空氣源熱泵機組保持原有位置不再變動，既節(jié)省了設備遷移費用，又節(jié)約了總機房面積，熱泵機組及鉆孔數(shù)目根據(jù)冬季負荷確定。冬季熱泵機組提供全部采暖負荷，為保證地源側(cè)冷熱負荷平衡，夏季供冷以地源熱泵機組為主，模塊式空氣源熱泵機組只在部分月份、部分時間段開啟，可通過控制冷水機組的運行時間完全滿足地源側(cè)冷熱負荷平衡。
1)巖土熱物性參數(shù)測算。根據(jù)工程所處的地質(zhì)狀況以及以往工程經(jīng)驗，巖土的導熱系數(shù)預估為1.66W/(m•℃)，體積比熱1.993×106J/(m3•℃)。在方案確定后，應進行現(xiàn)場測試，即在不同位置選定2～3個測試孔，進行熱響應測試實驗，然后利用參數(shù)估計法計算當?shù)氐牡叵聨r土導熱系數(shù)及比熱。
2)地埋管換熱器設計參數(shù)的選取。采用地熱換熱器設計模擬軟件—地熱之星GeoStar(V3.0)對該工程建筑進行優(yōu)化設計計算。選取垂直雙U型埋管，因鉆孔較深，土壤取散熱能力較淺層大，換熱能力強，通常是土壤淺層的5倍以上，并且所需占地面積較小［2－3］。由于該地的地質(zhì)構(gòu)成主要為泥沙與巖石，鉆孔難度適中，每米鉆孔費用相對較高，每個鉆孔內(nèi)設置雙U型管在一定程度上降低系統(tǒng)的初投資。同時根據(jù)該工程周邊可利用的鉆孔空地面積有限，采用雙U型管，可大大減少鉆孔的占地面積。工程設計的基本參數(shù)為:鉆孔回填材料采用的高性能回填材料，導熱系數(shù)為1.82W/(m•K);進入熱泵循環(huán)液的最高/最低溫度分別是:33℃/4℃;De32的雙U型管，鉆孔直徑為150mm;系統(tǒng)運行壽命設計為20a;巖土平均導熱系數(shù)為1.66W/(m•℃)，容積比熱容約為1.993×106J/(m3•℃)，巖土的初始溫度為15.2℃。
3)地埋管換熱器的長度設計計算。根據(jù)工程設計的基本參數(shù)，采用設計計算軟件對建筑進行地埋管長度的設計計算。經(jīng)過計算，所需的總地埋管換熱器的鉆孔長度約為33000m，每個鉆孔深度為100m，共需330個鉆孔，鉆孔行列間距均為5m，所需鉆孔面積為8250m2，建筑周邊條件能滿足鉆孔面積的要求。
4)地埋管布置形式設計。對于地源熱泵空調(diào)工程，豎直地埋管換熱器宜分組連接，且每組不超過換熱器總數(shù)的10%。因此根據(jù)鉆孔設計布置情況，以6個鉆孔或4個鉆孔組成一個水平環(huán)路就近通過鋼塑轉(zhuǎn)換接頭與分集水器連接，室外分集水器之間由水平主干管連接，水平主干管采用同程式連接方式。地埋側(cè)水平管路采用地埋敷設方式，水平支管敷設深度為2.0m，水平干管敷設深度為1.5m。鉆孔間的設計間距為5m，鉆孔的直徑為150mm。地源熱泵系統(tǒng)模擬在設定好以上參數(shù)的條件下，對整個地源熱泵系統(tǒng)的運行進行了10a的模擬計算，得到的溫度曲線不僅為該系統(tǒng)的可行性提供了熱平衡依據(jù)，而且對工程設計及運行管理也有一定的指導性作用。地源熱泵系統(tǒng)運行10a期間的循環(huán)液進出熱泵的月平均溫度變化曲。以看出，在運行1個采暖與空調(diào)周期后地下巖土溫度變化幅度很小，但由于地埋管的年取熱量略微小于年釋熱量，所以地下的溫度變化總體上呈緩慢上升的趨勢。該項目可采用如下措施:適當增加冬季空調(diào)運行時間;可適當?shù)卦黾拥芈窆芨縻@孔之間的間距，降低埋管間的熱干擾，增大蓄熱體，有利于地埋管向周圍巖土中釋放熱量;間歇運行，有利于地溫的恢復在夏季氣溫較低時，可以間歇性地運行或停止部分熱泵機組，使地下巖土蓄熱體有較長地溫恢復時間，提高換熱溫差，延長系統(tǒng)在高效率點的運行時間?？照{(diào)冷熱源機房位于原有機房內(nèi)。
2經(jīng)濟性分析對既有建筑的地源熱泵系統(tǒng)與原有的空調(diào)系統(tǒng)
進行了經(jīng)濟性對比如表8所示。計算結(jié)果表明:地源熱泵系統(tǒng)增加的初投資大約為567.5萬元;系統(tǒng)運行按20a計，地源熱泵系統(tǒng)可比模塊式空氣源熱泵機組加集中供熱系統(tǒng)節(jié)省運行費用1336萬元，系統(tǒng)投資回收年限為8.5a。
3系統(tǒng)能效分析及節(jié)能量計算
每個月相對于原有的集中供熱+模塊式空氣源熱泵機組空調(diào)系統(tǒng)。年可節(jié)約319.78噸標準煤?，F(xiàn)有系統(tǒng)全年耗能量為1949.6MWh，改造后系統(tǒng)全年耗能預計為918MWh。與原有空調(diào)形式相比，采用地源熱泵+模塊式空氣源熱泵機組改造方案后，5結(jié)語地源熱泵系統(tǒng)改造項目的總投資為567.5萬元，地源熱泵系統(tǒng)運行后將帶來顯著的環(huán)境效益。改造項目采用新方案每年節(jié)能量為319.78噸標準煤，相當于每年減少CO2排放量797.2t，減少SO2排放量2.4t，減少NOx排放量1.24t，減少碳粉塵217.5t。節(jié)能改造項目并不是一味地追求節(jié)能，而不考慮投資成本，該項目在確定方案時，綜合考慮了現(xiàn)有的周邊能源情況及既有建筑物內(nèi)冷熱源情況，最終方案確定為地源熱泵機組與原有模塊式空氣源熱泵機組結(jié)合使用，該方案具有以下優(yōu)勢:
1)可以減少原有設備的拆遷、遷移費用;
2)在平衡地埋管側(cè)冷熱負荷的同時，可以降低鉆孔費用;
3)可以減少地源熱泵機房設備的初投資及機房面積。
作者：楊杰 李巍 陳慶程 單位：山東建筑大學熱能工程學院 濟南中建建筑設計院有限公司