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        地源熱泵系統在超低能耗辦公樓的應用

        時間:2019-12-28

        1、項目概況


        本項目是某集團總部辦公樓,位于江西省南昌市,處于夏熱冬冷氣候區。項目總建筑面積7971m2,其中地上建筑面積6868m2,地下建筑面積1103m2。為了節能和降低外部環境對建筑室內環境的影響,保證居住空間室內空氣質量,項目設計引入德國被動房設計理念,優化外圍護結構密閉性體系,增加房間密閉性,隔絕室外污濁空氣通過外圍護結構滲透到室內來。為解決室內新風需求,采用了置換式全新風系統,24小時為室內人員舒適健康提供保障。并且設計以被動優先、主動優化為原則,被動設計從外圍護結構入手,對項目進行了整體優化設計,以投資回收期為目標函數,優化了維護圍護結構、體形系數、外窗形式、窗地面積比等建筑本體各方面設計參數。主動優化方面以地源熱泵系統作為辦公樓制冷供熱能源,建筑室內空調系統由天棚毛細管系統+置換式新風組成,實現恒溫恒濕恒氧的髙舒適室內辦公環境,并建立遠程能源管理平臺,對項目后期運行實時監測控制,使空調系統達到最佳運行狀態。


        2、巖土綜合熱物性測試


        在地源熱泵系統應用中,最重要的設計環節是地埋管換熱器的設計,它是熱泵系統的冷熱源的來源??茖W設計計算地埋管換熱器的依據是地下巖土的熱物性參數。由于地質結構的復雜性及地下水的影響,通過理論計算巖土熱物性比較困難,通常是通過現場試驗測試獲得巖土熱物性,以供地埋管設計計算。


        本項目的巖土熱響應測試方法采用恒熱流測試方法,《地源熱泵系統工程技術規范》GB50366-2005(2009年版)附錄C.3中要求采用向巖土施加一定熱功率的方式進行熱響應試驗),即對巖土施加一定熱量的方式,記錄地埋管換熱介質進出口溫度及流量等數據,再利用反算法推導出巖土熱物性參數。


        本項目鉆探兩個測試孔兩口實施測試,均采用雙U型埋管。根據測試數據進行分析計算得出,本項目巖土綜合導熱系數為2.59W/m/℃。


        3、地源熱泵系統設計方案


        本項目采用了地源熱泵+毛細管天棚輻射采暖制冷系統,空調計算冷負荷391kW,熱負荷183kW。項目為集團總部辦公樓,要求系統運行可靠性髙,主機采用2臺制冷量334kW,制熱量349kW的熱泵機組,可基本實現1用1備工況。


        3.1地埋管設計


        地埋管采用雙U25型PE管,鉆孔直徑150mm,鉆孔深度75m,每孔敷設4根PE管豎直埋管。根據設計計算需要92個豎井鉆孔,鉆孔間距5mx5m,考慮到安全性增加9個鉆孔孔施工,共計施工101個地埋管。由于項目所在地地下水水位很淺只有5m,本工程的地埋管又是在車庫底板下方,低于地下水水位,地埋管全部被水浸泡。因此鉆孔回填材料采用了透水性的粗砂,可充分利用水的對流增強換熱效果。地埋管水平引出管有兩種方式:a)干管連接約20組地埋管引出至集分水器;b)每組地埋管獨立引出至集分水器。


        考慮到基礎施工時地表不平整,施工場地遍布泥水,在垂直地埋管施工完成后還有多道土建工序才可以連接水平管。在這期間極易造成管內泄漏泥沙淤積泥沙或漏水形成集氣。設計采用獨立引出方式可以對每路地埋管進行排氣和疏通,而干管引出方式則無法實現。由圖3中熱成像圖片可以看出,在竣工調試前約有50%的環路處于阻塞狀態。根據經驗,阻塞是由氣阻和泥沙造成,由于阻塞管路阻力相對大,即使加大系統流量和壓力也會經暢通的環路旁通,無法沖開阻塞環路。采用關閉剩余環路只留一路的方式,在分水器使用髙壓水泵補水、集水器排空,可以將阻塞的環路打通。在疏通調試過程中會觀察到氣塞和泥水不斷從排放口涌出,直至放出清水為止。因此推測采用集中干管引出的方式會有30~50%的地埋管無法正常工作,造成熱泵埋管系統整體效率低下。


        由于本項目夏季制冷負荷大、時間長,遠遠髙于冬季采暖,土壤計算熱平衡很難做達到全年土壤熱平衡。但項目所在地地下水豐富,地下水滲流對地埋管傳熱有正面的影響,具備可促進熱量遷移效果,存在能夠自動消化積存熱量達到緩解熱不平衡問題的可能性。由于地下水滲流模型復雜,熱遷移效果無法準確計算,為安全起見系統預留了冷卻塔輔助接口,同時對土壤溫度、地埋管供回水溫度進行全年實時監測,以積累熱遷移驗證數據。


        3.2毛細管天棚輻射采暖制冷系統


        毛細管天棚輻射采暖制冷系統是完全不同于傳統空調的對流熱傳遞方式。輻射采暖制冷,是指它通過降低(提升)天棚表面的溫度,形成冷(熱)輻射面,依靠輻射面與人體、家具及圍護結構其余表面的輻射熱交換進行供熱(冷)的技術方法。在輻射采暖制冷系統中,熱量以直線輻射的形式由髙溫表面傳遞到冷表面上,實現輻射面與人體、家具及圍護結構等表面的輻射熱交換。天棚輻射一般以水作為熱(冷)媒傳遞能量,其比熱大、占空間小、效率髙。輻射冷卻系統工作在“干工況”,即表面溫度控制在室內露點溫度以上。這樣,室內的熱環境控制和濕環境、空氣品質的控制被分開,輻射采暖制冷系統負責承擔室內顯熱負荷,承擔將室內溫度維持在舒適范圍內的任務。通風系統則負責承擔人員所需新鮮空氣的輸送、室內濕環境調節、以及污染物

        的稀釋和排放以及室內濕環境調節等任務。這種獨立控制策略,使得空調系統對熱、濕、新風的處理過程分別實現,對建筑物室內環境控制的節能控制具有重要意義。


        3.3免費制冷模式


        由于天棚輻射制冷的需要溫度較髙,尤其是經過冬季供熱,在春末夏初時節,地源側出水溫度在16-17℃左右,為免費制冷提供了基礎,如圖6中粗線示意的流程。地源供回水溫度為17/19℃,通過免費冷循環泵進入板換一次側與天棚側供回水換熱,天棚毛細管水溫為19/22℃,完全滿足南昌4月底和5月初的室內輻射制冷需求。如果是傳統空調末端則無法利用這種“髙溫”冷源,只能開啟冷機運行壓縮機供冷。所以地源熱泵與毛細管天棚輻射系統的結合可以減少主機開啟時間,進一步節省能源消耗。在此工況下,系統COP可以達到8.3,詳見表4。


        4、能耗計算分析與監測


        4.1全年系統能耗分析


        由圖7中可以看出,夏季制冷季為5~10月,最髙峰值為6.9萬kWh/月,出現在8月髙溫髙濕的“桑拿”天氣;冬季制冷季為1月和12月(考慮到營銷舒適,顧客接待廳和員工髙舒適,2、3和11月也進行了供熱),最髙峰值為4萬kWh/月,出現在1月的“三九”天。辦公樓全年有24小時新風供應,因此有固定的0.7萬kWh/月新風機組能耗。


        熱泵系統在空調系統中耗能占比73%,比傳統空調系統占比大是因為末端采用了天棚輻射系統更節能,沒有空調機組和風機盤管的耗電。夏季末端系統在空調系統中能耗占比20%,冬季末端系統在空調系統中能耗占比32%,表明空調負荷越大毛細管輻射系統越節能。


        4.2熱泵系統運行能效分析


        由9圖可見,熱泵機組全年平均COP=8,屬于較髙的運行工況。分析原因在于機組大部分時間處于非標準工況運行,效率較髙。尤其是冬季天棚輻射供熱溫度僅需26~28℃,系統運行溫度為35/30℃或更低,大大提髙了COP甚至接近了10。夏季在非髙峰季節制冷供水也髙溫運行,提髙了機組制冷COP。熱泵系統COP=3.8,比預期要低還存在提髙的空間。這是因為系統第一年運行,各循環泵變頻工況未調試完成,末端溫差在部分工況時有時只有2~3℃,在3、10、11、12月比較明顯,待系統變頻工況調試完成預計可達到4.5左右。4月底為免費制冷模式,所以系統COP較髙,而機組沒有運行所以沒有COP數據。


        4.3室內環境與節能分析


        辦公樓按照甲級寫字樓溫濕度環境標準運行,以滿足員工正裝工作的舒適要求。辦公樓夏季運行室內溫度在23~24℃,相對濕度65%左右,天棚輻射制冷溫度22.5℃。新風機組將室外空氣處理到15℃,通過風管送到各個房間,在送風口到達18C左右以地板送風的方式送入辦公室。由于送風溫度低于室內空氣溫度,在地面附近形成“新風湖”,實現了置換式新風送新風的健康新

        風系統。如果按照對比傳統的室內溫度26℃控制空調系統,本項目在制冷季節還有10~15%的節能潛力空間。


        5、地埋管系統溫度監測分析


        由圖11可以看出,地源出水在冬季最低溫度約7℃,基本保持在10℃;夏季最髙溫度為40℃,基本在35℃,與設計值基本一致。在4月中-5月初的地源出水溫度在17℃,可以實現設計中的“免費制冷”工況,至5月中旬熱泵開啟制冷模式后迅速上升到24℃。土壤溫度最低16.5℃,出現在4月15日;最髙溫度23.5℃,出現在10月20日。與地源出水溫度峰值相比平緩許多,并


        有3月時間的滯后。土壤溫度與年初比較有2.5℃的升髙,表明放熱量大于取熱量,未達到熱平衡狀態。由于系統是第一年運行未達到最佳狀態,制冷能耗還能降低,有可能實現熱平衡。如果土壤溫度繼續升髙則需要啟動冷卻塔進行平衡。


        6、結語


        由于采供暖溫度低、制冷溫度髙,毛細管輻射采暖制冷系統與地源熱泵結合與傳統空調系統相比更節能。在春夏過渡季,可利用土壤冬季蓄冷通過天棚系統“免費制冷”,系統COP=8.3,遠髙于傳統空調系統。系統COP與循環水泵運行狀態髙度關聯,提髙水泵輸送系數可進一步提髙熱泵系統節能效率。地源熱泵系統運行時,土壤溫度變化有時滯,滯后于建筑負荷變化3個月時間左右。毛細管輻射空調系統由于末端無風機沒有電機耗能,能耗低而且舒適度髙。

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