地源热泵现代特殊结构建筑中的应用(图)

地源热泵现代特殊结构建筑中的应用(图)摘要：阐述了地源热泵空调系统在佛手湖项目的设计应用情况。分析了地源热泵系统的设备选型要点和安装注意事项。关键词：地埋管地源热泵系统岩石集水器Abstract：Exploresthegeothermalheatpumpsystemusedintheproject，analysestheequipmentselectionessentialsandinstallationrequirements.Keywords：Geothermalheatpumpsystem，rock,watercollection一、项目概况中国国际建筑艺术实践展项目(佛手湖项目)位于南京老山风景区内，紧邻珍珠泉旅游度假区，面临佛手湖千亩碧波，背靠老山连绵山峦，是南京市的景秀地段。该项目占地328多亩，建筑物分布于佛手湖中部半岛，用地大致呈东南－西北走向。项目共24栋建筑，含四栋公共建筑（A、B、C、D栋展览中心、接待中心、会议中心、休闲中心）及20栋小别墅（1#~20#）。别墅依山形而建，错落有致，总计建筑面积41,300m2。中国国际建筑艺术实践展项目点击此处查看全部新闻图片该项目云集来自13个国家24名国际著名建筑师的设计作品，作为永久性的国际建筑展园区，每栋建筑由不同的设计师设计。项目以实践的方式探索环保节能住宅设计建造的有效途径，使用并积极推广环保节能建筑材料，借鉴国际先进理念和技术，为中国绿色环保建筑的发展提供经验和示范。这种强大的建筑参展阵容在国内尚属首次，在亚洲范围内也是罕有。该项目建成后将成为世界建筑文化展示的焦点和交流基地,受到了国际和国内建筑界的广泛关注。二、项目特点本项目各幢建筑依山形而建，每栋建筑的高程相差较大，分布范围广。如果全部采用集中式系统，别墅区的综合管线将增加，且冷热能源在输送过程中会有很大程度的衰减；该地区没有热力管线或燃气管网。在考虑能源形式方面，常规的能源形式，不但增加用地面积，而且破坏景观格局。综合考虑各种因素,为了满足业主对别墅类建筑高品质、高档次定位要求，中央空调采用节能环保的地源热泵系统提供空调、地板采暖、余热回收生活热水。但项目地处山岭，底层条件复杂，地表浅层主要以岩石为主，对于地源热泵系统的规划设计、施工建设来说也是一大挑战。该项目引进地源热泵技术，将低品位的低位能转化为可为人类直接利用的高品位能源。系统的配置与设计应达到性能与价格的优化目标，确保本工程成为技术先进、可靠实用、经济合理的项目。三、系统介绍地源热泵是一种先进、高效节能、无污染、可再生、可持续发展的能源利用形式。同时解决制冷、采暖、生活热水三位一体的新型空调系统。它利用浅层地表一年四季温度相对稳定的特性，通过热泵机组——这一能量提升机，完成土壤与建筑物内部热交换。冬季环境温度低于地下岩土体温度，它从地下土壤中吸热，代替锅炉向建筑物供暖；夏季环境温度高于地下岩土体温度，它可以向地下土壤中排热，代替风冷换热器或冷却塔向大气散热。机组无论制冷或制热的过程中，通过在制冷系统压缩机排气端加入热回收套管，实现余热回收功能，全年完全免费制取生活热水。地表5m以下土壤的温度已经相当稳定，基本不会随着季节变化，并且略等于该地区的年空气平均温度。我国冬冷夏热地区土壤平均温度在15～20℃左右，通常夏季冷凝器的出水温度在35～40℃之间，与土壤换热温差可达到20～25℃，有利于提高制冷系数。土壤源地埋管换热器点击此处查看全部新闻图片地源热泵系统的能量来源于地下能源。它不向外界排放任何废气、废水、废渣、是一种理想的“绿色空调”。被认为是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。该系统无论严寒地区或热带地区均可应用。可广泛应用在办公楼、宾馆、学校、宿舍、医院、饭店、商场、别墅、住宅等领域。系统运行如下图所示：系统运行示意图点击此处查看全部新闻图片四、空调系统方案别墅性质住宅对空调、采暖、生活热水均有较高的要求。根据建筑的类型属性以及业主要求，本项目空调系统设计了水水式地源热泵+生活热水+新风系统集于一体的高档中央空调配置系统,部分单体还采用了变风量(VAV)末端,另外地板采暖在部分单体中也有体现。生活热水设计地源热泵机组在夏季制冷时，一般通过土壤换热器向地表散热。本系统杂配置上，夏季可以实现由空调系统配置的热泵机组制冷的同时，提供生活热水系统的热量，热泵机组此时部分向地下土壤排热，另一部分热量用来加热生活热水，实现完全免费制取生活卫生热水。机组在这样一种工况下，虽然损失了热泵机组的供冷效率，但是获得了更为丰厚的生活热水，综合能效比还是大大提高了。由于余热回收的这部分热量占设备制热容量的15％左右。通常辅以的蓄热水箱(带电加热辅助调峰)，在热泵机组提供给生活热水系统的热量不足够的情况下，可启动电热热调峰。另外，蓄热水箱容积设计时，考虑高峰时段的用水量，蓄存水量可满足全天随时按需供水，系统运行费用进一步降低。以别墅1#为例，系统设计流程图图示如下：系统设计流程图岩石的换热建筑物全年动态负荷、岩土体温度的变化、地埋管及传热介质特性等因素都会影响地埋管换热器的换热效果。因此，考虑地埋管换热器设计计算的特殊性及复杂性，甲方前期通过勘探孔测试、实验分析来测定岩土体的综合换热能力，在项目规划施工现场进行了土壤热特性测试，从而作为中央空调系统合理设计的依据。试验的对象是两口不同管型（De32单U/De25双U）的测试井，井深均为80m，实验中根据排热、取热两种不同运行模式，选择了不同工况进行试验研究。最后得出了地下垂直地埋管的传热性能参数：在排热模式下，1#井具有的换热能力为60～70W/m井深，2＃井的换热能力为70～80W/m井深，具体的数值与测试工况（供水温度、流量、温差等因素）有关；在取热模式下，1#井具有的换热能力为40～50W/m井深，2＃井的换热能力为55～72W/m井深，具体的数值同样与不同工况下供水温度、流量、温差等因素有关。五、项目实施要素1、钻孔、下管a）空气潜孔锤钻孔由于该项目所在地位于山岭丘陵地带，部分地块基岩已经表露。采用常规的钻孔方式，钻机设备无法按工期完成，因此确定采用气动潜孔锤冲击钻进的方法，钻孔速度约为每周10口井。针对基岩为主的山区底层，底层含水率低，设计采用了细沙回填，一方面能保证回填料能较密实的填充孔洞，防止形成空气腔，另一方面充分保障闭式竖直地埋管环路中流体与周围岩土体的导热。b）地埋管材料技术参数地源热泵系统充分利用可以循环使用的地热，成为现代建筑节能的重要技术之一，该技术的关键之一就是深埋地下的热交换管路系统。该换热器采用高密度聚乙烯HDPE100，承压能力1.6MPa。PE管路系统采用压力管道专用的混配料作为原材料，碳黑分散均匀，没有质量隐患。该管材可根据用户需要在车间内完成预组装，尽量减少施工现场的安装工作，最大限度减少现场施工对管路系统造成的损伤。U型接头的连接采用专用热熔机具，严格按照焊接规程来进行对接、承插式热熔焊接。高密度聚乙烯HDPE100具有良好的耐磨性、抗塑性断裂、抗低温脆裂，耐化学腐蚀性好；内表面光滑，不结垢，水力特性好；导热系数小，表面凝露少，静液压强度高，具有优异的耐内压水平，柔韧性好，便于搬运和安装；可熔接，连接可靠快捷等优点。土壤换热器系统是地源热泵系统的核心。而且它具有不可维修性，这就使得工程上必须要有周密严谨的工艺控制，来保证工程质量的万物一失。2、水平埋管连接在保证施工质量的情况下，室外地埋管换热系统使用寿命在50年左右。竖直地埋管通过与水平供回水干管连接，再接入集分水检查井或汇入机房。循环液体杂封闭的地下管路中流动，无水流体交叉，亦不会对地下环境造成污染。闭式地下热交换器示意图如下：水平埋管连接点击此处查看全部新闻图片为确保各个竖直地埋管中流量分配均匀，实现有效、高效换热，同时增加室外换热器系统的安全性，需要设置合理数量的集分水检查井。A、B、C、D栋展览中心、接待中心、会议中心、休闲中心）规模较大，分别设计84、416、176、256口管径De25、双U、80m深的井，设置一、二级集分水井，最后由二级集分水器引一对总管接入机房设备；20栋小别墅（1#~20#）根据总排热负荷设计孔数为10～30个不等，只需设计一级集分水井，为避免单井接入机房各环路阻力不平衡的弊端，将3~9口井连接成一个环路后再接入集分水检查井。室外设计保证每个集分水检查区域的总地埋管环路数在3个以上，大大降低了系统的风险性。3、管道敷设与回填水平管道根据各幢建筑物施工进展情况，严格按照施工组织设计分段进行。在具体实施中解决好管道穿越重要道路时的敷设与回填。比如C#楼考虑到水平埋管穿越主干道，可能有重型机械的碾压，所以采用钢筋混凝土管套。套管内径比穿越管外径厚100mm，套管伸出路基1.5m。在套管制作过程中，确保清洁无毛刺，且管道穿过时加护套保护，以保证其表面完好。管道敷设后，对管道系统加固、定位，进而及时进行回填。管道热熔连接部位等待管道水压试验合格后再进行回填。回填主要是垫实管底、压实两侧，然后回填至管顶50cm处。回填过程中，注意排尽沟内积水，取出回填土可能含有的碎石、砖块、垃圾物等杂物。4、水平集管坡度设置与排气按照规范，地埋管换热器水平干管坡度宜为0.002。在一般工程施工中，水平干管敷设时严格按照暖通设计施工规范保证平直度和坡度，保证排气畅通。水平干管与垂直U型管连接时要保证坡度并坡向U型立管。地源热泵系统工程中，常见的做法是一般在集、分水器的位置安装排气阀。在水力系统方面，并联系统流速适当便于同程水力平衡和排气。本工程中采用并联系统，为防止管内细微颗粒沉积，在水系统中加装过滤装置。若管内出现细微颗粒沉积，利用管路反冲装置按水管路中原水流向方向的反方向冲洗，室外各并联环路的分别冲洗。本项目在C#施工中，机房所在位置的地理标高远小于室外地埋管侧源水最高水位的标高，这就意味着，在室外环路集管并联接入一级集分水井之前，在水环路的最高点需设置排气阀。六、本项工程意义目前中国国际建筑艺术实践展项目地源热泵系统正处在施工阶段。地源热泵是利用可再生能源的系统，目前世界各地推行节能环保的概念，挖掘利用可再生能源，地源热泵在国外已发展半个多世纪，在国内在近年才真正推广并发展起来。节约能源，是当今世界上各国家面临的共同课题。随着我国经济的快速发展，能源供需矛盾日益尖锐，同时，浪费严重、环境恶化、利用效率低等问题也日与愈突出。目前在我国的住宅设计中，环保节能概念仍然不够深入，远远不能满足发展资源节约、环保节能住宅健康方向的要求。地源热泵系统工程，依托“佛手湖国际建筑艺术实践展”的资源和影响，利用十几个国家参展建筑师的辐射，积极推广环保节能建筑理念，借鉴国际先进技术，为中国绿色环保建筑环境的发展提供经验和示范。同时，这一次地源热泵系统在特殊结构建筑中大规模的应用，也标志着地源热泵系统在别墅群结合体的应用已日趋成熟，规模化；而这一项伟大工程也推动南京实施空间发展战略的“一城三区”决策，正在从规划蓝图变为美好的现实。参考文献：1、丁勇,刘宪英,等.地热源热泵系统实验研究综述.现代空调第三辑,2001年8月:11-132、李凡,仇中柱,于立强.U型垂直埋管式土壤源热泵埋管周围温度场的理论研究.暖通空调,2002,32(1):17-203、[11]付祥钊,王勇等.两种地质气候条件对岩土换热器的影响.暖通空调,2002,32(3):106-109