上海地区别墅建筑地源热泵空调系统设计.pdf

上海地区别墅建筑地源热泵空调系统设计上海工程技术大学 王鹏英摘要 指出上海别墅建筑常用空调系统存在的问题,分析了在该类建筑中使用地源热泵空调系统的可行性,结合工程设计实例,着重介绍了U型竖埋管地下换热器的设计方法。关键词 上海地区 别墅 地源热泵系统 U型竖埋管换热器Design of the ground s ourc e he at p ump syste m forvillas in Sha nghai are aBy Wang PengyingAbs t ra c tPoint s out t he p roblems exis ting in commonly us e d air conditioning s ys t ems f orvilla buildings in Shanghai a re a.Anal ys est he f e asibility of using ground s ourc e he a t pumps ys t em in t hes e buildings.Wit h a design example,p res ent s mainly t he design me t hod of U2t yp eve rtic al ground coil he a t exchange rs.KeywordsShanghai a re a,villa,ground s ourc e he a t pump sys t em,U2typ e ve rtic al groundcoil he a t exchange rShanghai University of Engineering Science,Shanghai,China1 上海别墅建筑常用的集中空调系统及存在的问题1.1 风冷冷热水机组加风机盘管空调系统该空调系统由1台室外机(风冷冷热水热泵机组)、若干台室内机(风机盘管)、水管、冷凝水管及膨胀水箱、循环水泵等组成。系统结构紧凑、安装方便、占室内建筑空间较少,易与建筑装修融为一体。各房间温度可独立控制,运行节能。缺点是无新风供给,集水盘内容易集尘滋生细菌,存在漏水可能。1.2VRV空调系统该空调系统由1台变频变制冷剂流量的室外机、若干台室内机、冷媒管、冷凝水管等组成。与1.1节系统不同的是室内外机之间用紫铜冷媒管连接,不需要膨胀水箱、循环水泵。这种系统能对各空调房间实现较精确的温控,使用方便,运行节能。但无新风供给,安装要求高,如发生冷媒泄漏,很难找出漏点,不易维修。1.3 风冷管道式冷热风空调系统该系统由室外主机、室内管道机、冷媒管、送风管道和风阀、风口等组成。与1.2节系统相仿,也属冷媒直接蒸发式,只是将1.2节系统的室内机改为室内管道机,向室内提供冷热风。该系统设有新风供应,室内空气清新,无漏水之忧,相对价格低。但各房间不易独立控制,房间送风量调节困难,集中回风影响各房间的私密性,风管所占建筑空间较大。以上3种空调系统均为空气源热泵系统,室外机组中的换热器必须暴露于大气中,所以对建筑立面造型产生不良的影响,破坏建筑的外观;系统夏季运行时靠空气带走热量,大量的热量排放至大气,会造成周围环境空气温度的升高,加剧城市的温室热岛效应;冬季运行时当室外换热器表面温度低于零度时,还需要运行制冷循环来除霜,增加了能量损失,制热效果会大大降低。2 别墅地源热泵系统的组成、工作过程与特点别墅地源热泵系统主要由室内水源热泵机组、地下埋管换热器、膨胀水箱、循环水泵等组成。水源热泵机组有水 水和水 空气两种型式,与此相应的空调系统有水 水系统和水 空气系统两种,其系统示意图见图1、图2。这两种系统的室内部分分别与1.1节和1.3节中的系统相仿。不同的是主机无需放在室外,可吊装于卫生间吊顶内或室内其他隐蔽处。地下埋管换热器是一个由高强度塑料08设计参考 暖通空调HV&AC2003年第33卷第6期 王鹏英,女,1964年4月生,硕士研究生,硕士,讲师,副主任200336上海仙霞路350号上海工程技术大学机械学院热能与动力工程系(021)627597795010E2mail:wangpengying wang-teacher 收稿日期:20030827修回日期:200309261地下埋管换热器 2冷热源侧换热器 3节流机构4负荷侧换热器 5压缩机 6换向阀7室内风机盘管 8循环水泵 9水 水热泵机组图1 地源热泵水 水系统示意图1地下埋管换热器 2冷热源侧换热器3节流机构 4负荷侧换热器 5压缩机6换向阀 7水 空气热泵机组 8循环水泵图2 地源热泵水 空气系统示意图管组成的封闭环路,循环介质为水。系统夏季运行时,通过地下埋管换热器中水的循环流动,将水源热泵机组冷凝器放出的热量散发给土壤,冬季水从土壤中吸收热量并将它传递给水源热泵机组蒸发器。因此地源热泵空调系统可解决空气源热泵系统必需室外机及室外机对周围环境产生热污染等问题,并且冬季运行不存在结霜问题,节省了空气源热泵系统除霜所耗的电能,空调效果不受室外气温的影响,运行稳定可靠,是一种国家鼓励使用的适用于夏热冬冷地区居住建筑的节能环保空调系统1。3 上海地区别墅建筑采用地源热泵系统的可行性分析上海地区属于夏热冬冷地区1,近几年最热月平均气温已达30.2、最冷月平均气温为4.22,最冷月与最热月平均相对湿度分别为75%,83%3,高于35 的酷热天气长达半个月至一个月,日平均温度低于5 的天数长达两个月以上,因此每年传给土壤的冷热量基本相同,其气候条件适合推广地源热泵。地源热泵地下埋管换热器处于地壳的浅层地表土壤中,土壤的类型、热特性、热传导性、密度、湿度等对地源热泵系统的性能影响较大。据地质钻探知上海地区的浅层土是以黏土、亚黏土及粉砂为主的软土,属于第四纪沉积层,且土壤潮湿,地下水位高,是埋管系统较合适的土壤类型。别墅建筑一般都带有花园,具备供地源热泵系统布管的土壤面积,因此在上海地区别墅建筑中采用地源热泵空调系统是完全可行的。4 上海地区别墅建筑地源热泵系统设计以上海长宁区某幢两层独立式别墅住宅为例进行介绍。该别墅建筑面积为260 m2,空调房间共有8间,总空调面积为150 m2,每层层高为3.2 m,1楼客厅挑高为4.2 m。别墅周围仅有一面积约为120 m2的L型空地可供地源热泵系统布管。别墅建筑地源热泵系统的设计分为室内水源热泵空调系统和地下换热器设计两部分。4.1 室内水源热泵空调系统设计4.1.1 空调系统负荷计算4.1.1.1 室内设计参数夏季:温度为262,相对湿度为55%10%,风速 0.25 m/s;冬季:温度为202,相对湿度50%10%,风速0.25 m/s。4.1.1.2 室外设计参数夏季:室外干球温度为34,湿球温度为28.2,日平均温度为30.4,大气压力为100 530 Pa,风速为3.2m/s;冬季:室外空调温度为4,相对湿度为75%,大气压力为102 510 Pa,风速为3.1 m/s。4.1.1.3 各房间空调负荷计算根据以上确定的室内外参数,结合别墅建筑的结构特点,夏季采用冷负荷系数法4计算围护结构冷负荷,按稳定传热计算人员、照明、设备冷负荷5;并进行热负荷、湿负荷、新风量、送风量、新风负荷计算5,新风比取15%,计算结果见表1。表1 各房间空调负荷计算结果汇总表房间空调面积/m2室内冷负荷/W夏季湿负荷/(g/s)新风量/(m3/h)送风量/(m3/h)新风冷负荷/W室内热负荷/W新风热负荷/W总热负荷/W总冷负荷/W1楼客厅283 9340.0761601 0721 8663 6681 2874 9555 8001楼餐厅362 8580.0761167771 3522 7889333 7214 2101楼保姆房77080.019291913381 2102331 4431 0461楼客房1141 4760.038604007001 3904831 8732 1761楼合计858 9760.2093652 4404 2569 0562 93611 99213 2322楼主卧201 5530.038634237351 4705701 9772 2882楼书房131 7200.019704688171 5195632 0822 5372楼客房2121 1860.038483235602 0363862 4221 7462楼次卧201 7330.019714728281 6495712 2202 5612楼合计656 1920.1142521 6862 9406 6742 0278 7019 132别墅总计15015 1680.3236174 1267 19615 7304 96320 69322 3644.1.1.4 空调系统负荷计算本设计室内采用水 空气热泵机组,采用全部房间同时开启或同时关闭的运行方式,新风由外墙的新风口直接引入到空调主机的回风静压箱,不考虑风系统引起的冷量损失,因此空调系统的计算冷负荷应等于室内冷负荷与新风冷负荷之和4,即22 364 W;空调系统的计算热负荷等18 暖通空调HV&AC2003年第33卷第6期 设计参考于室内热负荷与新风热负荷之和5,即20 693W。4.1.2 空调系统主机选型为避免风管穿楼板及便于风管布置,1楼和2楼各选用1台水 空气热泵机组,根据1楼和2楼的总冷负荷、室内空气参数及水源热泵样本数据,按水源热泵机组进水温度为30(依据上海一些实际地源热泵系统的运行测试结果)对应的机组制冷量选择具体型号,1楼选用J062H型水源热泵机组1台;2楼选用J036H型水源热泵机组1台,机组主要参数见表2。由机组参数可知地源热泵在冬季运行工况下(水源热泵机组进水温度为10),机组供热量完全满足系统负荷要求。表2 机组主要参数表6型号风量/(L/s)水压降/kPa水量/(L/s)制 冷制 热送风口尺寸/mm外形尺寸/mm压缩机类型进水温度/制冷量/kWCOP1进水温度/制冷量/kWCOP2长宽长宽高J036H42540.70.47309.124.1109.064.33052601067559483涡旋J062H70826.20.763014.373.71015.964.43402891321686533涡旋4.1.3 设备布置及风管设计设计方法与风冷系统相同,主要内容是合理布置机组,确定送回风管路的走向,确定截面形状、尺寸及材料,确定送回风口形式、位置、个数、尺寸,进行风管的阻力计算,校核机组所需的机外余压。本工程中两台机组分别吊装在北面的两个卫生间吊顶内。每层楼的新风由北外墙处的防雨百叶新风口引入到主机的回风静压箱,不设回风管,回风通过每个空调房间房门下方的百叶风口再经过吊顶上方的回风口进入回风静压箱。送风均采用侧送形式,风管采用超级复合风管,1楼风管平面布置见图3。经计算,1楼机组所需的机外余压应大图31楼空调风管及地埋管平面布置图于74 Pa,2楼机组所需的机外余压应大于65 Pa,查机组风机性能数据表,机组满足余压要求6。4.2 地下换热器设计这部分是整个设计的重点,也是本系统有别于其他系统之所在。地下换热器的设计是否合理直接影响到热泵的性能和运行的经济性。4.2.1 确定地下换热器埋管形式地下换热器的埋管主要有两种形式,即竖直埋管和水平埋管。选择哪种方式主要取决于场地大小、当地岩土类型及挖掘成本79。考虑该别墅建筑花园的面积情况,适合布置竖直埋管地下换热器。在各种竖直埋管换热器中,目前应用最为广泛的是单U形管8。因此本设计采用竖直单U形管的地下换热器。4.2.2 确定管路的连接方式地下换热器管路连接有串联方式与并联方式两种。采用何种方式,主要取决于安装成本与运行费。对竖直埋管系统,并联方式的初投资及运行费均较经济8。且为保持各环路之间的水力平衡,常采用同程式系统。故本设计的地下换热器采用了单个U形管并联的同程式系统。4.2.3 选择地下换热器管材及竖埋管直径目前国外广泛采用高密度聚乙烯作为地下换热器的管材,推荐按SDR11管材选取壁厚,管径(内径)通常为2040 mm7,10,而国内大多采用国产高密度聚乙烯管材11,本设计中地下埋管均采用国产PE63级SDR11管材,竖埋管选用De25(即公称外径为25 mm,壁厚为2.3 mm)管子,埋管进出口集管采用直径较大的管子,流速大小按以下原则选取:对于内径小于50 mm的管子,管内流速应在0.6m/s1.2 m/s范围内;对于内径大于50 mm的管子,管内流速应小于1.8 m/s。4.2.4 地下换热器的尺寸确定及布置4.2.4.1 确定地下换热器换热量夏季与冬季地下换热器的换热量可分别根据以下计算式确定:Q夏=Q01+1COP1(1)Q冬=Qk1-1COP2(2)式中Q0为热泵机组制冷量,kW;Qk为热泵机组制热量,kW;COP1,COP2分别为热泵机组制冷、制热时的性能系数。设计中选定的机组的夏季换热量为:Q夏=Q0(1+1COP1)=29.60 kW 冬季换热量为:Q冬=Qk(1-1COP2)=19.29 kW28设计参考 暖通空调HV&AC2003年第33卷第6期 从计算结果可以看出,夏季地下换热器的换热量远大于冬季,因此设计时地下换热器的换热量可直接用式(1)确定。本设计地下换热器的换热量为29.6 kW。4.2.4.2 确定地下换热器长度地下换热器的长度与地质、地温参数及进入热泵机组的水温有关。在缺乏具体数据时,可依据国内外实际工程经验,按每m管长换热量3555 W12来确定,参考上海一些实际工程,取单位管长换热量为40 W/m,则地下换热器所需长度L为:L=29.61 000 W40 W/m=740 m4.2.4.3 确定地下换热器钻孔数及孔深等参数竖埋管管径确定后,可根据式(3)确定钻孔数:n=4 000Wv di2(3)式中n为钻孔数;W为机组水流量,L/s;v为竖埋管管内流速,m/s,di为竖埋管管内径,mm。假定流速为0.6 m/s,则钻孔数为:n=4 000Wvdi2=6.27 圆整后钻孔数为6个。各孔中心间距取4.5 m9。实际流速为0.63 m/s。对竖直单U形管,埋管深度一般为4090 m8,孔深l可根据式(4)确定:l=L2n=740m26=61.7 m(4)地下换热器的集管、楼上水管尺寸均按4.2.3节中原则确定,本设计中室内水管采用镀锌钢管并保温。4.2.5 地下换热器阻力计算地下换热器阻力包括沿程阻力和局部阻力,在按4.2.3节原则确定的水管管径和流速范围内,水的流动处于湍流光滑区,故沿程阻力系数与单位长度的沿程阻力Rm可分别按以下计算式计算13:=0.316 4Re0.25(5)Rm=0.158 20.750.25di21.25v1.75(6)式中 为水密度,kg/m3;为水黏度,kg/(ms)。局部阻力可用当量长度法计算7。地下换热器阻力按图3中的310环路计算。水的密度与黏度取10 时的值,即=999.73 kg/m3,=1.30810-3kg/(ms)13。计算结果见表3。表3 地下换热器阻力计算汇总表管段号管道公称外径管内径/mm流量/(m3/h)流速/(m/s)比摩阻/(Pa/m)长度/m沿程阻力/Pa局部阻力元件 当量长度/m局部阻力/Pa34De5040.84.40.942590.4103.8 直流三通(等径)1个0.79204.645De5040.83.70.791924.5862.3 直流三通(缩小)1个1.1221.556De4032.63.01.003854.51 734.2 直流三通(等径)1个0.70269.567De4032.62.20.732245.01 119.8 直流三通(缩小)1个0.94210.678De3226.01.50.793364.51 509.9 直流三通(缩小)1个0.70235.289De2520.40.70.63308128.939 752.990 弯头3个180 弯头1个 旁流三通1个0.6130.972.431 610.8910De5040.84.40.9425925.96 720.690 弯头3个 球阀1个1.22313.074 333.1合 计51 803.56 885.34.2.6 地下换热器环路水泵选型水泵选型所依据的流 量W和扬程Rh确定 如下:W=k1Wmax(7)Ph=k2(hf+hd+hm)(8)式中 Wmax为设计最大流量;k1,k2为附加因数,当水泵单台工作时取1.1;hf,hd为水系统总的沿程阻力、总的局部阻力,hm为设备压力损失。本设计中的水环路是由地下换热器与室内水源热泵水系统组成的,经计算,室内侧最不利环路的沿程阻力、局部阻力分别为7 526.9 Pa,4 488.0 Pa,设备压力损失为40.7 kPa。所以水泵所需流量W为4.87 m3/h,水泵所需扬程Ph为12.09 m。根据计算结果,选用了1台型号为KQL40/1000.55/2的单级立式离心泵,流量为6.3 m3/h,扬程为12.5 m,转速为2 960 r/min,电机功率为0.55 kW。4.2.7 地下换热器水管承压能力校核对地下闭式水环路,在不考虑地下水或竖井灌浆引起的静压抵消情况下,管子最大承压计算式为7:P=Po+hg+0.5Ph(9)式中 Po为系统最高点静压,取102 510 Pa;h为闭式水系统中水管最高点与最低点高度差,本系统为70.6 m(膨胀水箱标高与竖埋管最低点高度差);为水的密度,取999.73 kg/m3;g为重力加速度,9.8 m/s2;Ph为水泵扬程,12.5 m。根据式(9)计算得P=0.86 MPa。最大承压小于PE63级SDR11管材的最大工作压力(1.0 MPa),所以选用的管材是合适的。4.2.8 水系统其他装置设计 该水系统为闭式循环系统,可采用膨胀水箱来实现系(下转第132页)38 暖通空调HV&AC2003年第33卷第6期 设计参考 图3中ho是排水管插入塑料桶中的深度,必须保证管口始终在水中,一般取ho=50 mm。按照 一例 中分析可知“冷凝水外溢到空调机组”时机组内负压大于882 Pa。笔者认为,在负压作用下,初开机时,一例 中所述条件下形成的U型管中的水柱h4已被破坏,排水管中形成的相对高速的气流阻碍了冷凝水的正常排放,最终产生了冷凝水渗漏。一例 中所述的造成冷凝水排水不畅的原因并不成立。对于 一例 中“检修人员将冷凝水排水管出口降低,消除了排水管的U型管的现象,问题得以解决。同时,将出口处用蓬松布裹住,防止灰尘经排水管进入空调机”的做法,笔者认为消除了U型管现象并不是解决问题的真正原因,而将排水管口用蓬松布裹住,不但能防止灰尘等经排水管进入空调机,而且增加了空气从排水管进入机组的阻力,从而避免了相对高速的气流阻碍冷凝水的正常排出,才使问题得到解决。另外,图1所示水封存在底部易集聚沉淀物堵塞排水管且不易清理的缺点。图2所示水封则更实用,易检查、易清理。为了防止灰尘等经排水管进入空调机,可采用图4所示方案,在排水管上安图4 安球阀的冷凝水排水管安装示意图装一球阀,在夏季有冷凝水的季节打开球阀靠水封运行,其他季节关闭球阀即可。参考文献1 王家军.空调机组冷凝水排水系统渗漏治理一例.暖通空调,2002,32(3):1302 龚崇实,王福祥,主编.通风空调工程安装手册 1 北京:中国建筑工业出版社,1989(上接第83页)统的补水、定压。设计方法同其他空调水系统。经计算选用了1台有效容积为0.35 m3的圆形膨胀水箱。其他附件如阀门等的选用也与一般水系统相同。5 结语5.1按上述设计的地源热泵系统,COP夏季为3.53,冬季为3.98,远高于空气源热泵,体现了其节能的特性,加上其具有环保与可持续发展的优点,是别墅空调系统的理想选择。5.2 目前国内生产小型水源热泵机组的厂家为数不多,需研制规格齐全、品种多样的水源热泵机组及配套的设备和材料,并应制定相关标准。特别应开发适合别墅空调特点的一拖多水 空气分体式机组。5.3 地源热泵系统的运行性能与地下埋管的设计及施工质量有密切关系,因此要提高设计人员的设计能力,并不断完善地下换热器的安装、施工技术。5.4 地源热泵的大力推广需要政府的政策引导及公众对地源热泵技术的更多了解,相信通过政府部门、科研机构和工程技术人员的共同努力,地源热泵一定能在我国得到较快的推广和发展。参考文献1J G J 1342001夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准2 马宪国.燃气中央空调在上海及周边地区的市场分析(一).能源研究与信息,2002,18(4):1871933GBJ 1987采暖通风与空气调节设计规范4 电子工业部第十研究院,主编.空气调节设计手册.第2版.北京:中国建筑工业出版社,19955 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