第三章--地源热泵系统的设计及计算

第三章地源热泵系统的设计及计算一说到设计，人们往往想到的是工程技术人员的计算和绘图，当然这些都属于设计领域里的工作，而寻找解决问题的途径，也是设计任务之一。设计本身包括寻找解决问题的途径，所以它不限于事先构思，更不排斥实践，而应是思维活动与实践活动的统一。空调设计的任务及目的，就是把现有能效高的设备组织好、使用好、充分发挥它们的作用。现代空调系统的不断发展使建筑物内的设施日益增多和复杂，这对改善人们的生活和工作环境有着积极作用，但同时也带来了由于系统设计、工程施工和运行管理不当而造成对自然环境和人体健康有害的因素。所以反过来力求解决这些问题就成为一种主要的推动力，促使空调技术更进一步向前发展。目前，建筑节能的重要性越来越引起人们的关注。从建筑设计方面来看，提高隔热保温性能，采用合理的朝向，增设必要的遮阳等可以减少空调负荷，降低能耗。对于确定的空调负荷，提高设备的效率和优化运行过程提供相应的硬件软件，都成为降低能耗的关健。空调系统的设计一般采用工况设计法，是以夏季和冬季室外空气设计参数为依据的典型工况进行计算，并且是按最不利情况考虑，按照设备的额定工况选择指标。所以，设备选型较大。空调设备经常处于部分负荷状态下运行，必须要求设备在部分负荷运行时也能高效率运行。避免负荷变化了，而设备不能作相应调节，出现大马拉小车的现象；或设备也能调节负荷，但调节性能差，耗能指标落后。因此，设计的任务就是要用先进的自控技术将空调全工况下的性能调整到最佳程度，这就是所谓的过程设计方法。一、中央空调设计主要参考以下的规范及标准1、通用设计规范1)．《采暧通风及空气调节设计规范》（GB50019-2003（2003年版））；2)．《采暖通风及至气调节制图标准》（GBJ114－88）3)．《建筑设计防火规范》（GBJ116－87）4)．《高层民用建筑设计防火规范》（GBJ0045－95）5)．《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》（JGJ26-95）2．专用设计规范：1)．《宿舍建筑设计规范》（JGJ36-87）2)．《住宅设计规范》（GB50096-99）3)．《办公建筑设计规范》（JG67－89）4)．〈旅馆建筑设计规范〉（JGJ67-89）5)．《旅游旅馆建筑热土与空气调节节能设计标准》（GB50189-93）6)．《地源热泵系统工程技术规范》（JGJ142－2004）7)．《地面辐射供暖技术规范》（GB50366－2005）8)．其它专用设计规范3．专用设计标准图集：1)．《暖通空调标准图集》2)．《暖通空调设计选用手册》（上、下册）3)、其它有关标准二、空调冷、热负荷计算空调负荷是指为保持室内空气设计条件，单位时间内室内空气输入或排出的热量，前者称为热负荷，后者称为冷负荷。热负荷、冷负荷与湿负荷的计算以室外气象参数和室内要求保持的空气参数为依据。冷热负荷的计算是空调工程设计中最基础的计算工作，负荷计算的准确性直接影响到建筑的能耗，工程的投资费用和整个系统的运行费用及使用效果。在设计时，一定坚持对建筑物作负荷分析计算，只有认真的负荷分析计算，才有热泵机组合理的选型和正确土壤换器的设计。建筑冷热负荷的分析计算依据：建筑物类型、地理位置、环境条件、外围结构、建筑物功能、人员状况、新风量等。可采用能耗分析软件进行适当地优化分析，减少不必要的负荷浪费。设计院通常采用负荷逐时计算法，专业公司通常采用经验估算。1、室外空气参数的确定：室外的计算参数取值的大小，将会直接影响室内空气状态和空调运行费用。除有特殊要外，一律按规范中的规定。2、室内空气参数的确定室内计算参数的确定，除了考虑所提出的一定必要外，空调房间的负荷要考虑下列因素：照明和设备散热量、人体散热量和散湿量、新风的热量和湿量。还应根据室外气温、经济条件和节能要求进行综合考虑各种建筑物室内空气计算参数按国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）的具体规定。3、冷、热负荷的计算负荷包括：围护结构传热、外窗太阳辐射、人体散热、照明散热、室内物品的散热、空气的渗入带来的热量等形成的冷负荷。冷负荷的计算1）、围护结构传热引起的冷负荷：其中：F——外墙、屋顶的计算面积m2，K——外墙、屋顶的传热系数W/m2.k，查表——外墙、屋顶的冷负荷温度的逐时值℃，查表。2）、玻璃窗的冷负荷，ａ.传热引起的冷负荷：其中：Ｆ——窗口面积m2，Ｋ——玻璃窗的传热系数W/m2.k，查表tn——室内设计温度℃，tt——玻璃窗的冷负荷温度的逐时值℃，查表。ｂ.玻璃窗日射引起的冷负荷其中：——玻璃窗对太阳辐射直射的吸收率，——玻璃窗对太阳辐射散射的吸收率，——直射太阳辐射强度W/m2，——散射太阳辐射强度W/m2，——玻璃吸收太阳辐射热传向室内的比率，一般取0.3193）电热设备发热引起的冷负荷4）室内湿源形成的湿负荷ａ.人体散湿、热形成的冷负荷，人体散热与性别、年龄、衣着、活动强度以及环境条件等各种因素有关，在人体散出的热量中，辐射约占40%，对流约占20%，其余40%.则为潜热。ｂ.工艺设备散湿：随着工艺流程可能有各种材料表面蒸发水汽或泄漏，其散湿量确定方法视具体情况而定，可从有关资料查出。5）冷、热负荷的估算：在初步设计阶段，由于设计基本数据不是很完备，所以一般是采用负荷指标估算冷热负荷,目的是为了做投资预算的依据。a、建筑面积估算法不同地区建筑物的冷热指标估算：b、不同用途的建筑物冷负荷概算指标ｃ.空调的热负荷热负荷包括围护结构的传热，外窗的散热以及室内设施的吸热等形成的热负荷。一般建筑的热负荷量随地质不同有所差异，在我国四、五类区域，热负荷均略小于冷负荷。ｄ.空调湿热负荷湿空气是由干空气和水蒸汽所组成的，在工程计算上定0℃时干空气的焓及饱和水的为0，则在温度T时干空气的可表示为：室内湿源包括人体散湿和工艺设备的散湿。人的散湿量大约随人的活动程度，轻微活动—中等劳动—重度劳动散湿量逐渐增加100～250～400g/h。三、能量采集系统的设计（一）水源热泵系统：1、水源热泵水井的确定如果考虑使用地下水水源热泵系统，首先应与当地政府的有关管理部门联系，争取得到他们的支持，允许使用地下水，然后再按照以下步骤工作：1）委托当地水文地质管理单位对水文地质进行调查，在当地勘查部门进行勘查的总结资料的基础上，对地下水源进行估测、评定，以表明所选的地点是否是安装地下水系统的理想地点。2)对水文地质条件复杂并且当地没有进行勘查工作的地区，就需要向当地的勘查部门提出勘查要求，由有资格的水文地质工作者对当地供水井和回灌井进行预期估测，提供满足系统峰值流量要求的方案，并建议井的设置，包括水井的数量、间距和供水井回灌井的直径、深度。3)当地没有做正规的勘查，但有零散的钻井档案，而且水文地质条件简单，或用水量不大的情况时，可不进行全面的勘查工作，但是在大面积建筑物水源热泵系统工程确定方案以前，必须做水文地质钻探。通过钻探可以更直接而且较准确地了解含水层的埋藏深度、厚度、岩性、分布情况、水位和水质等。利用钻井抽水试验，注水试验，从而确定含水层的富水性和水文地质参数，譬如给水度，导水系数，渗透系数，储水系数，水位传导系数，补给系数及越流系数等。对地下水储存量、补给量、容水量和水质的评估，选定满足系统峰值流量要求的最佳方案。4)将方案报有关管理部门审批，取得合理开凿地下水许可证。2、水井的设计水井的设计将由有经验有资格的水文地质工作者完成。1)根据地下水总的取水量，确定单井的预期功能和容量、抽水井的取水量、抽水井的动态水位和回灌井回灌点。2)井的位置要选在稳定型水源地，确定井的几何尺寸、钻井数量、井间距及井的具体定位。3)大水量用水时，要进行井群的干扰计算，将结果与设计的总水量、控制点的降深、回灌点的要求进行比较，尽量满足要求。4)井套管的选材、灌浆和回填材料的确定。5)地下水输送系统的排气，防止水锤发生，消除氧气腐蚀，避免水井间的虹吸作用等。6)地下水系统是否允许供水井和回灌井在运行过程中互换。7)在进行定期的维护避免出现堵塞现象的条件下，回灌井的回灌量不能超出同一井供水量的2/3。3、地下水资源的保护1)尽量减少水源热泵机组对地下水的需求量。采用热泵机组最低允许进液温度与最高允许进液温度之间温度大的机组，充分利用地下水的能量，相应减少地下水的应用量。2)增设地下水流程中的过滤、除砂、重力沉淀设施，使回灌水清洁，避免回灌井的堵塞，扩大回灌量。3)抽水井和回灌井的深度必须在同一含水层，杜绝不同水质的水层相互连通，防止被污染的潜水与其他承压水混合。4)如果水源热泵系统所确定的水源是已经被污染的水层，可用物理—化学法和生物净化法对污染的地下水进行净化，降低地下水的污染程度。4、举例说明北京某办公楼，建筑面积10000平方米，坐落在北京海淀区四季青镇杏石口路，四季青镇单井取水量为80立方/小时，回水量为70立方/小时。现项目业主想采用水源热泵系统冬天供暖、夏天制冷，请为业主计算应该打多少口井？(二)地源热泵系统地源热泵中央空调地热交换系统可分为垂直式与水平式两种。在选择地热交换器的形式时必须对建筑物的功能、环境和土质水文做清楚的了解，和详细的调研后，方可确定地热交换器形式。1水平式埋管（水平式）水平式埋管方式的优点是在软土层造价低，但受外界气候影响。水平式埋管的方式可分为单层和双层，如图：单沟多管和双沟多管。多选用Ф32的PE管。水平平铺，单沟单回路每延米管长换热量34W/M。双回路换热量25W/M。四回路换热量20W/M。六回路换热量16W/M。不同地区有所差别。2、垂直式埋管（立式）垂直式埋管就是在地面向深处钻孔，将U型管安装在井孔里，将孔填实，根据每孔实装U型管的数量可分为单U型、双U型和多U型。①钻孔直径与孔间距离单U型孔径50～80mm孔间4～5m双U型孔径100～150mm孔间5～6m多U型孔径200～250mm孔间6米以上②钻孔深度空调系统分为单状态运行和两种状态运行，单状态运行和两种状态运行时间差大的土壤换热器的钻孔深度宜为40～60m。两种状态运行时间差小的土壤换热器的钻孔深度宜100m以下。热泵系统两种状态运行时间较为平衡的土壤换热器的钻孔深度宜为150m以下。3、现场的调查与分析在决定采用地源热泵系统地热交换器的形式之前，应收集有关资料并对工程施工现场实际情况进行准确的掌握，这就是现场勘测。1）仔细阅读计划建设的建筑物设计文件，掌握建设的规划、规模、建筑物的用途，并了解在施工期间所有当地规章制度、政策性条例、地区性法规，以减少施工干扰。2）确定建筑物业主拥有的地表使用面积大小和地形，建筑物所在的方位、结构、路边附属设备、地下公用设施、市政管道位置以及地下废弃的设施，以避免因潜在因素造成不必要的损失，影响施工。3）查阅有关水文资料，包括地质结构，岩土的质量深度等，对现场进行调研分析，做出现场对采用地源热泵系统的适应性评估。4、地址勘察选用地源热泵系统后的第一件工作就是对现场地质的勘测，包括松散土层的厚度、密度、砂型、含水量、岩床的深度、岩床的结构。1）钻井勘测孔虽然大部分地区是适合安装地源热泵的，有时候现场也许会因为一些特殊情况，需增大钻孔设备容量、增加钻进难度，加大了成孔成本。在工程开始前，对现场情况的勘测，避免了在施工时可能遇到的潜在复杂问题，并且使用实际测量数据比使用假设数据更可以提高设计者在设计上的可靠性和准确性，同时也为工艺设计提供所需的资料，以便选择最合适的钻孔挖掘设备和钻井钻具。对于建筑面积小于3000m2的建筑，建议使用一个测试井。对于大型建筑物至少使用2个测试井。对于地耦管水平式热交换器，挖一个3～5m的深坑就能实现，对靠近地表处土质状况是否有巨石存在也能做一定了解。而对于垂直式热交换器，就需要钻勘探孔，并按有关规定格式做好记录。2）地下岩土热物性参数的检测地下岩土的热物性参数是地源热泵土壤换热器设计中重要的依据。习惯的方法是根据所了解的现场地质资料，凭经验假设一些系数进行设计计算，况且地下地质结构的复杂，影响土壤导热系数的因素诸多，导致计算的地耦管的长度与实际长度有一定的偏差，有时