一種新型式地源熱泵在北方某住宅小區(qū)中的應(yīng)用
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1山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院2江蘇天康地源熱泵工程有限公司
摘要：本文以解決住宅采暖為出發(fā)點(diǎn)，提出了一種新型式地源熱泵系統(tǒng)來解決住宅的采暖問題，即地源熱泵系統(tǒng)的地埋管側(cè)水系統(tǒng)采用大泵與用戶小泵結(jié)合的方式；結(jié)合實(shí)際工程介紹了系統(tǒng)的運(yùn)行原理，水泵選型，對(duì)工程進(jìn)行了負(fù)荷分析和經(jīng)濟(jì)性分析，得出新型式地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)于集中式地源熱泵系統(tǒng)的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：住宅采暖地源熱泵大泵與小泵經(jīng)濟(jì)性分析
現(xiàn)今地源熱泵在我國(guó)逐步得到重視，隨著近幾年霧霾天氣的出現(xiàn)，供暖產(chǎn)生的污染受到人們的關(guān)注，而中國(guó)建筑行業(yè)還在飛速的發(fā)展以至于建筑采暖問題亟待解決。除此之外，運(yùn)行管理也影響熱泵機(jī)組的利用效率，表1是熱泵機(jī)組和水泵在部分負(fù)荷情況下耗電比較：
由表1可知，空調(diào)水泵運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，耗電量比較大，而本身的調(diào)節(jié)性能比較差，能量浪費(fèi)也比較大。在空調(diào)系統(tǒng)中水泵的能耗占空調(diào)總能耗的20%以上。根據(jù)住宅空調(diào)負(fù)荷變化的特點(diǎn)，考慮運(yùn)行調(diào)節(jié)的靈活性以及當(dāng)前新建小區(qū)的銷售率、入住率和使用率等問題，提出了住宅小區(qū)地埋管側(cè)水系統(tǒng)采用大泵、小泵匹配的系統(tǒng)，可以避免集中式地源熱泵的巨大能耗以及昂貴的運(yùn)行費(fèi)用。
1 項(xiàng)目工程概況
本項(xiàng)目為北方某住宅小區(qū)，建筑面積是 165000 m2，該小區(qū)共有17棟樓，1#、17#是公建，2#~16#是住宅樓，住宅層高3.6 m，每棟建筑18層，商業(yè)建筑層高3.6 m，會(huì)所建筑層高5.5 m。住宅建筑高度為63 m，根據(jù)樓高對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)進(jìn)行高低區(qū)分區(qū)，高低區(qū)各承擔(dān)一半的空調(diào)負(fù)荷。
2-種新型式地源熱泵介紹
2.1系統(tǒng)運(yùn)行原理
圖1為該小區(qū)地源熱泵系統(tǒng)流程圖，主要設(shè)備包括戶式熱泵機(jī)組、全程水處理器、穩(wěn)壓膨脹器、軟化水箱、全自動(dòng)軟化水裝置、地源側(cè)分集水器、水泵，其中水泵包括大泵和小泵。每戶有兩個(gè)小泵，一臺(tái)是空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵，另一臺(tái)是地源側(cè)循環(huán)水泵。
用戶末端形式是風(fēng)機(jī)盤管和地板輻射采暖。冬季供暖主要利用地板輻射的方式，風(fēng)機(jī)盤管作為輔助采暖方式由用戶根據(jù)實(shí)際需求自行開啟。夏季利用地板輻射直供冷的方式。地源熱泵運(yùn)行一個(gè)冬季從地下提取熱量使得地表溫度低于15℃，夏季地板輻射表面溫度為20℃，供回水溫差為5℃，供回水溫度一般為12～15 ℃，夏季不需要開啟熱泵機(jī)組和用戶側(cè)水泵，只需開啟機(jī)房?jī)?nèi)的大泵就可直接供冷，這種直接利用余冷的方式解決了回灌熱量的問題，又降低了機(jī)組和水泵的能耗。
新型式的地源熱泵系統(tǒng)中大泵與小泵的控制原理是初期只開啟小泵當(dāng)建筑物的熱負(fù)荷增加到一定程度小泵不能滿足時(shí)開啟大泵，大小泵同時(shí)運(yùn)行。原因是采暖初期由于室外溫度不是很低，室內(nèi)熱負(fù)荷小用戶根據(jù)自己的需要開啟機(jī)組，這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的流量較小不需要大泵只需開用戶側(cè)小泵就可達(dá)到要求，當(dāng)空調(diào)熱負(fù)荷達(dá)到一定程度時(shí)開啟大泵，大小泵一起運(yùn)行提供用戶所需的流量。大泵的開啟是利用超聲波流量計(jì)測(cè)量主干管流量。我們通過手動(dòng)輸入限定的流量值，當(dāng)流量計(jì)測(cè)得管內(nèi)流量大于設(shè)定值時(shí)機(jī)房?jī)?nèi)的大泵運(yùn)行。該系統(tǒng)地下?lián)Q熱器采用垂直敷設(shè)方式，鉆孔間的設(shè)計(jì)間距為4m，鉆孔的直徑為150 mm，垂直管采用雙U管，管徑為De32，水平管直埋敷設(shè)。
地源側(cè)水系統(tǒng)采用大泵與小泵結(jié)合的方式主要目的是解決住宅建筑采用集中熱泵系統(tǒng)時(shí)機(jī)組和水泵的能耗過大問題。住宅建筑的熱負(fù)荷具有變化大、不穩(wěn)定的特點(diǎn)，而在實(shí)際運(yùn)行時(shí)必須滿足不同用戶的需暖要求，住宅建筑采用集中式地源熱泵系統(tǒng)在采暖期一直開啟熱泵機(jī)組出現(xiàn)供熱量遠(yuǎn)大于需熱量的問題，不僅造成管理費(fèi)用高還會(huì)造成能源浪費(fèi)，在現(xiàn)階段能源緊張的前提下這種系統(tǒng)是不占優(yōu)勢(shì)的。
2.2地埋管側(cè)水系統(tǒng)大泵與小泵的選型
流量L( m3m)計(jì)算公式如下：
根據(jù)該住宅小區(qū)的實(shí)際情況確定大泵和小泵的流量與揚(yáng)程，流量根據(jù)式(1)可得，主要是確定大泵與小泵的揚(yáng)程。
表2為用戶內(nèi)設(shè)備阻力表，計(jì)算得總和為150 k Pa，則循環(huán)水泵（小泵）所需揚(yáng)程為15 mH2O。
表3為機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備阻力表，計(jì)算得總和為200 k Pa，則機(jī)房?jī)?nèi)循環(huán)水泵（大泵）所需揚(yáng)程為20 mH2O。
綜上所述：大泵揚(yáng)程為20 nH2O，小泵揚(yáng)程為15 mH2O。大小泵在系統(tǒng)中是串聯(lián)形式，串聯(lián)折損后為30 mH2O，滿足整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)阻力要求。
3 集中式地源熱泵與大泵+小泵系統(tǒng)的負(fù)荷分析
本工程住宅建筑為節(jié)能75%的民用建筑，原有的設(shè)計(jì)研究院提供的冬季熱指標(biāo)為28 W/m2，總熱負(fù)荷為4600 kW，夏季冷指標(biāo)為50 W／m2，總冷負(fù)荷為250 kW，由于兩種系統(tǒng)運(yùn)行方式不同，空調(diào)運(yùn)行時(shí)間也不相同，采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法，即根據(jù)設(shè)計(jì)冷熱負(fù)荷與建筑空調(diào)運(yùn)行時(shí)間，綜合考慮建筑類型，功能等因素，設(shè)定每月空調(diào)系統(tǒng)的同時(shí)使用系數(shù)。
采用集中式地源熱泵時(shí)建筑全年逐月累計(jì)的冷熱負(fù)荷如圖2所示，采用大泵與小泵系統(tǒng)時(shí)建筑全年逐月累計(jì)的冷熱負(fù)荷如圖3所示。
由圖2、3可以得到：兩種系統(tǒng)下全年的月累計(jì)負(fù)荷的變化趨勢(shì)是一致的；大泵與小泵系統(tǒng)比集中式熱泵系統(tǒng)的能耗低。
4 新型式（大泵+小泵）地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析
與集中式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的初投資比較見表4，與集中式地源熱泵運(yùn)行費(fèi)用比較見表5，回收期比較見表6。
5 結(jié)論
1)北方住宅建筑地埋管側(cè)水系統(tǒng)采用大泵與小泵的新型式系統(tǒng)在理論上和技術(shù)上完全可行；
2)新型式（大泵+小泵）地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用在住宅建筑上比集中式地源熱泵有一定的優(yōu)越性；
3)結(jié)合實(shí)際工程分析可知，該系統(tǒng)與集中式地源熱泵相比初投資要高一些，但運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)要低，通過經(jīng)濟(jì)性分析系統(tǒng)運(yùn)行20周年新型式地源熱泵可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用1940萬元，投資回收期為7年。
