試驗(yàn)研究

土壤源熱泵在某工程的應(yīng)用方案及經(jīng)濟(jì)比選

□□ 曹家豪(山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山西 太原030001)

摘要：結(jié)合工程實(shí)例，介紹了土壤源熱泵各個(gè)設(shè)備的選擇及計(jì)算。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，說明了地源熱泵在中小型工程應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵詞：土壤源熱泵；空調(diào)系統(tǒng)；設(shè)備選型；節(jié)能減排

文章編號(hào)：1009-9441(2015)03-0041-03

中圖分類號(hào)：TK 529；TU 83

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：曹家豪(1985-)，男，山西新絳人，助理工程師，2008年7月畢業(yè)于山西大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事暖通設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2015-06-03

引言

地源熱泵系統(tǒng)是以巖土體、地下水或地表水為低溫?zé)嵩?，以熱泵機(jī)組、地?zé)峤粨Q系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的空調(diào)系統(tǒng)。根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，地源熱泵技術(shù)已日趨成熟。

山西南部某地級(jí)市醫(yī)院住院大樓工程，總建筑面積為16 335 m2，建筑層數(shù)為10層，總冷負(fù)荷為1 860 kW，室內(nèi)采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)機(jī)組的空調(diào)方式。地埋管可利用建設(shè)場(chǎng)地主要是地上車位及綠地等區(qū)域，面積約為8 700 m2。

根據(jù)該工程的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，沒有充足的地下水和地表水可以利用，所以擬在建設(shè)范圍停車場(chǎng)及綠地采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)夏季制冷、冬季供暖、全年供生活熱水的“一機(jī)三聯(lián)供”。供熱時(shí)，省去了燃煤、燃?xì)?、燃油等鍋爐房系統(tǒng)，沒有燃燒過程，避免了排煙污染；供冷時(shí)，省去了制冷機(jī)組及冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪聲、漂水及霉菌污染，同時(shí)不產(chǎn)生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵。該技術(shù)運(yùn)行費(fèi)用低廉，比燃?xì)?、燃油費(fèi)用低2倍，也低于目前城市供熱、制冷的價(jià)格。

1設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)依據(jù)及設(shè)計(jì)范圍

1.1　總的設(shè)計(jì)思路

以綠色環(huán)保、節(jié)能減排、創(chuàng)造社會(huì)效益為主導(dǎo)設(shè)計(jì)思想，按國(guó)家相關(guān)規(guī)范為設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)工程進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分利用可再生能源，降低用戶的運(yùn)行費(fèi)用，保護(hù)環(huán)境。

1.2　設(shè)計(jì)依據(jù)

地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)包括：GB 50366—2005(2009年版)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》；GB 50019—2003《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》；GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》；GB 50015—2003(2009版)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》；GB 50242—2002《建筑給水排水及采暖工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》；GB 50243—2002《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》；2009JSCS《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施：暖通動(dòng)力(2009年版)》；DBJ04—241—2013《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》；建設(shè)方提供的相關(guān)資料。

1.3　設(shè)計(jì)范圍

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括以下部分：①土壤源熱泵機(jī)組；②土壤源換熱器。

2設(shè)備選型

2.1　主機(jī)的確定

土壤源熱泵主機(jī)2臺(tái)，其技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　土壤源熱泵主要技術(shù)參數(shù)

2.2　土壤源換熱器的選型計(jì)算

地源熱泵系統(tǒng)是利用地下土壤常年溫度相對(duì)穩(wěn)定的特性，通過埋入建筑物周圍的地耦管與建筑物內(nèi)部完成熱交換的裝置。冬季通過地源熱泵將大地中的低位熱能提高品味對(duì)建筑物供暖，同時(shí)把建筑物內(nèi)的冷量?jī)?chǔ)存至地下，以備夏季制冷使用；夏季通過地源熱泵將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下對(duì)建筑物進(jìn)行降溫，同時(shí)儲(chǔ)存熱量，以備冬季制冷時(shí)使用。

因尚未做項(xiàng)目建設(shè)地的熱物性測(cè)試，所以參考相關(guān)數(shù)據(jù)將地埋孔深度暫按120 m計(jì)算，夏季按60 W/延米計(jì)算，換熱系統(tǒng)主管采用大管徑設(shè)計(jì)，以減小系統(tǒng)阻力，垂直埋管管徑為DN32，既保障管徑足夠大，大到可以滿足換熱系統(tǒng)水的流量；也保障管徑足夠小，小到循環(huán)水在垂直埋管處于紊流狀態(tài)，增加換熱效率。

換熱器的長(zhǎng)度計(jì)算：夏季EER為5；夏季需從地下提取的冷量為：1 860×6/5=2 232(kW)；夏季地埋管換熱器長(zhǎng)度為：2 232 000/60=37 200(m)；地埋管換熱器井?dāng)?shù)：37 200/120=310(眼)，間距按4 m計(jì)，預(yù)計(jì)占地面積4 960 m2。空?qǐng)龅孛娣e完全可以滿足地埋管的占地要求。

考慮到夏季冷負(fù)荷較大，該工程地埋管數(shù)按夏季地埋管數(shù)設(shè)計(jì)。

2.3　空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)水泵的選型

夏季熱泵主機(jī)的進(jìn)出口溫度為12~7 ℃，由換熱量得冷凍循環(huán)水流量為：

qm=Q/cΔt=1860×1000/(4.2×1000×5)=88.57(kg/s)=318.85(t/h)

故選用KQL125/170-22/2循環(huán)水泵3臺(tái)，兩用一備，水泵流量為166 m3/h，揚(yáng)程為34.5 m，功率為22 kW。

2.4　地埋管系統(tǒng)循環(huán)水泵的選型

夏季地埋管的供水溫度為20 ℃，回水溫度為25 ℃。由夏季換熱量得地埋管系統(tǒng)循環(huán)水的流量為：

qm=Q/cΔt=2232×1000/(4.2×1000×5)=106.29(kg/s)=382.63(t/h)

故選用KQL125/200-37/2循環(huán)水泵3臺(tái)，兩用一備，水泵流量為192 m3/h，揚(yáng)程為46 m，功率為37 kW。

3機(jī)房設(shè)備及價(jià)格

經(jīng)過詳細(xì)踏勘，在利用原有庫房的基礎(chǔ)上，初步確定熱泵機(jī)組占地面積約為250 m2。機(jī)房設(shè)備及詢價(jià)見表2。

表2　機(jī)房設(shè)備詢價(jià)表 1)

初投資估算費(fèi)用包括：機(jī)房?jī)?nèi)所有設(shè)備的購置及安裝；機(jī)房?jī)?nèi)配電、控制柜的制作與安裝。

初投資估算費(fèi)用不包括：機(jī)房土建施工費(fèi)；由變電站至機(jī)房配電柜的主電源引入費(fèi)用。

4工程投資及運(yùn)行費(fèi)用估算

4.1　工程總投資估算

工程總投資估算見表3。

根據(jù)山西省人民政府辦公廳《關(guān)于加快既有建筑節(jié)能改造工作的意見》(晉政辦發(fā)[2008]10號(hào))，

表3　工程總投資估算

該項(xiàng)目可獲得政府補(bǔ)貼81.67萬元，實(shí)際工程總投資為302.92萬元。

4.2　地源熱泵運(yùn)行費(fèi)用估算

冬季地源熱泵總功率為529.85 kW，夏季地源熱泵總功率為420.25 kW，運(yùn)行人員為1人。

4.2.1冬季運(yùn)行費(fèi)用

平均每天耗電量約為：529.85×8×0.5×0.5=1 059.7(kW·h)；

每日電費(fèi)約為：1.3×1 059.7=1 377.61(元/d)；

人員費(fèi)用約為：40×1=40(元/d)；

維修費(fèi)用約為：10元/d；

費(fèi)用合計(jì)：1 427.61元/d，即2.6元/(m2·d)。

4.2.2夏季運(yùn)行費(fèi)用

平均每天的耗電量約為：420.25×8×0.5=1 681(kW·h)；

每日電費(fèi)約為：1.3×1 681=2 185.3(元/d)；

人員費(fèi)用約為：40×1=40(元/d)；

維修費(fèi)用約為：10元/d；

費(fèi)用合計(jì)：2 235.3元/d，即4.1元/(m2·d)。

4.3　回收期估算

總投資為302.92萬元，采暖期為5個(gè)月，供冷期為4個(gè)月，冬季公共建筑收費(fèi)為28元/m2，夏季公共建筑收費(fèi)為33.6元/m2。冬季收益為：28-2.6×5=15(元/m2)，夏季收益為：33.6-4.1×4=17.2(元/m2)。年收益為：(15+17.2)×16 335=525 987(元)，回收期為5.8年。

5地源熱泵與常規(guī)冷熱源方案比較

地源熱泵與常規(guī)冷熱源方案比較見表4。

表4　地源熱泵與常規(guī)冷熱源方案比較

6環(huán)境效益分析

采用地源熱泵技術(shù)的節(jié)能減排量見表5。

表5　采用地源熱泵技術(shù)的節(jié)能減排量　t

7結(jié)語

該項(xiàng)目是一項(xiàng)利國(guó)利民的環(huán)保工程，項(xiàng)目的實(shí)施不僅可以改善醫(yī)院的環(huán)境，避免了鍋爐排煙對(duì)病人及周邊居民身體的損害，同時(shí)也為醫(yī)院的建設(shè)帶來了新思路、新方法。該項(xiàng)目具有明顯的社會(huì)效益、環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB 50366—2005(2009版)，地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].第2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[2] 馬最良，呂悅.地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

(編輯盛晉生)

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