2015, Vol. 31
地源热泵是一种利用浅层土壤或含水层实现供热和空调制冷的高效节能设备[1].通过输入少量的高品位能源(如电力、机械功、燃气和液体燃料),实现热量从低温热源向高温热源的转移.已有研究[2]表明:5 m以下的地下土壤温度基本不随外界环境及季节的变化而改变,相当于当地年平均气温,即土壤具有较好的蓄能特性.因此,土壤是一种理想的冷/热源.地源热泵作为一种节能环保型空调装置,已被各国政府确立为值得大力推广应用的新型空调技术[3].
上海属于夏热冬冷地区,最热月平均气温达30.2 ℃,最冷月平均气温为4.2 ℃,其气候条件适合推广地源热泵.上海地区的浅层土是以黏土、亚黏土及粉砂为主的软土,属第四纪积层,且土壤潮湿,地下水位高,是埋管系统较合适的土壤类型.另外,别墅建筑一般带有花园,具备供地源热泵系统布管的土壤面积,因此在上海地区别墅建筑中采用地源热泵空调系统是完全可行的.
1 设计方案的确定该别墅位于上海浦东新区,总建筑面积为220 m2.该别墅分为车库、厨房、大厅、卧室、卫生间等若干区域,其中,空调房间面积为154.85 m2,地上三层,地下室作为机房,每层层高均为3 m,周围有足够面积的空地供地源热泵系统布管.
经现场对深层土壤导热系数进行测试发现,该别墅所在地土壤导热性能良好,适合作为热泵系统的冷/热源.综合考虑节能环保要求以及现场具体情况和业主要求,该别墅采用家用地源热泵空调系统.
2 负荷计算及送风量确定[4, 5]夏季房间的冷负荷包括建筑维护结构传入室内热量(太阳辐射进入的热量和室内外空气温差经维护结构传入的热量)形成的冷负荷、人体散热形成的冷负荷、灯光照明散热形成的冷负荷、其它设备散热形成的冷负荷以及新风带入的冷负荷.经计算,夏季别墅冷负荷及送风量如表 1所示.新风带入的冷负荷QW=5 632 W,因此,别墅夏季总冷负荷Q为房间的冷负荷Qa和QW之和,即Q=Qa+QW＝27.6 kW.总送风量为2 705 m3·h-1.
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表 1 夏季别墅冷负荷及送风量 Table 1 Cooling load and air flow rate in the villa in summer |
经计算,冬季建筑总热负荷为21.5 kW,可见,空调冷负荷比供暖热负荷大.但由于两者相差不大,因此没有必要采用辅助冷却装置,故地埋管的设计只要满足空调冷负荷即可.
3 土壤源热泵系统的设计土壤源热泵系统设计主要包括热泵机组的选择、地埋管换热器的设计、室内水管环路系统的设计以及地板采暖系统的设计.土壤源热泵系统如图 1所示.
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图 1 土壤源热泵系统 Fig. 1 Ground source heat pump system |
由于各个房间使用功能、使用时间均不同,住宅空调的同时使用系数较低,一般在0.5~0.8之间.考虑到别墅住宅的舒适性和同时使用率较高的特殊情况,使用系数取为0.8.因此Q=27.6×0.8=22.1 kW.根据冷负荷确定选用MWH系列整体式水源热泵的MWH080CR型机组,其机组性能参数如表 2所示.
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表 2 机组性能参数 Table 2 Performance parameters of the unit |
为保证各环路之间水力平衡,并综合考虑经 济性和防腐性,本文采用单个U形管[6]并联的 同程式系统,管材选用高密度聚乙烯(PE)管.考虑到钻孔深度不超过60 m,采用De25(外径为25 mm,壁厚为2.3 mm)的U形管,因为小管径可减小钻孔直径,降低工程造价,同时其管壁较薄、热阻小.
3.2.1 换热量[6]
设计时土壤换热器的换热量可直接由式(1)确定.经计算得,Q1=31.45 kW,Q2=22.35 kW,土壤换热器夏季换热量远大于冬季换热量.
3.2.2 换热器长度[7]换热器长度L与地质、地温参数及进入热泵机组的水温有关.单位管长换热量为35~55 W[7],在此取40 W,则有
经计算,n=6.93,取整为7.
对竖直单U形管,孔深l可根据式(5)确定,即
综合考虑当地地质、钻孔的难易程度、施工费用以及可用于布置地埋管换热器的场地面积,将孔深确定为45 m,钻孔直径为80 mm,钻孔内U形管换热器底部距井底1.0 m,U形管换热器长度44 m.土壤热交换器平面布置如图 2所示,各环路管径图中己说明,标号1~7为钻孔位置.
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图 2 土壤热交换器平面布置 Fig. 2 Layout of soil heat exchanger |
水泵扬程Ph包括最不利环路上管路压力损失、热泵机组的压力损失、环路上平衡阀和其它设备元件的压力损失[7],即
经计算,hf=47 001 Pa,hd=6 608.2 Pa,hm=16 kPa,Ph=75 068 Pa.因此,选用单级单吸卧式离心泵ISW32-125.
3.3 室内水管与风机盘管的设计 3.3.1 室内水管环路系统设计[9](1) 送风口的位置及回风布置
该别墅的独立区域有卧室、起居室、大厅、厨房、卫生间等共计10处.考虑到各个区域的实际空调效果要求及可能的独立制冷需要:大厅和起居室面积大,分别设置两个送风口,采用顶送风上回风;卫生间出于简洁和经济性考虑不单独设置送风口,这也可防止其产生的异味通过回风管通至其它房间,造成二次污染;楼道、车库及三楼过道不送风;厨房送风但不回风;除客厅外,其余送风房间的送风口均设置在进门口,采用侧送风侧回风的送风方式.
(2) 水管系统设计
水管系统设计主要包括管材的选用、水管管径的确定和水管阻力的计算.本文选用镀锌钢管,然后根据合理的管内流速,确定最佳管径.计算得最到不利管路阻力为28 910 Pa,最大流量为4.27 m3·h-1.因此,选用单级单吸卧式离心泵ISW32-125.
3.3.2 室内风机盘管的选型根据各个房间的制冷量及送风量要求,选择风机盘管机型,其中:一楼大厅选择卡式嵌入型风机盘管MCKW800A和卧式暗装风机盘管MCW300C;二楼活动室选择立式暗装风机盘管MFCW300A;二楼厨房、餐厅,以及三楼主次卧均选择卧式暗装风机盘管MCW200C;三楼起居室选择立式暗装风机盘管MFCW200A.
3.4 地板采暖系统的设计地板辐射供暖是一种利用建筑物内部的地面进行供暖的系统,是一种新型的环保采暖方式.典型的埋管式地板辐射供暖结构如图 3所示[10].
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图 3 地板辐射供暖结构 Fig. 3 Schematic diagram of radiant floor heating |
地板采暖管道系统设计主要包括确定房间的供热温度、热负荷、加热管平均水温、地面平均温度、辐射板传热系数、加热管平均间距,具体计算结果如表 3所示.
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表 3 别墅各房间地板采暖计算 Table 3 The villa room floor heating calculation |
流量
经计算流量G＝2.38 m3·h-1.因此选用单级单吸卧式离心泵ISW20-110.
3.5 系统能效比计算该系统能效比为热泵机组的制冷量或制热量与所有耗电设备的功率之比,其中:泵所消耗的功率P=1 670 W;热泵机组的制冷、制热功率分别为Pa、Pb,取值如表 2所示.
夏季能效比
冬季能效比
经计算,β1=3.08,β2=3.49.
4 结 语本文以上海某别墅为对象,根据工程建筑负荷特点和当地的地质资料设计了一套家用地源热泵空调系统.经计算,该系统夏季和冬季的能效比分别为3.08和3.49,达到了节能和环保的效果.此外,该系统还具有运行稳定可靠、舒适程度高、使用寿命长、应用范围广等特点.
| [1] | 焦文静,戴传山.我国地源热泵相关技术专利综合分析[J].能源研究与信息,2012,28(1):1-2. |
| [2] | 胡松涛,郭潇潇,李绪泉.地源热泵技术在生活热水供应中的应用[J].流体机械,2007,35(9):62-64. |
| [3] | 汪洪军,李新国,赵军,等.地下耦合地源热泵机组冬季供热性能分析与实验研究[J].流体机械,2003,31(12):51-54. |
| [4] | 赵荣义.简明空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1998. |
| [5] | 李岱森.简明供热设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1998. |
| [6] | FLORIDES G,KALOGIROU S.Ground heat exchangers-a review of systems,models and applications[J].Renewable Energy,2007,32(15):2461-2465. |
| [7] | 蒋能照,刘道平.水源·地源·水环热泵空调技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2007. |
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