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土壤源热泵在中央空调系统中的应用

土壤源热泵属于热泵的一种,它通过消耗一定的高品位能量(如电能),把不能直接利用的土壤中的低品位能量经过类似于水泵的泵水,经提升转换为有用的热能,从而可节约高品位能量。土壤源热泵应用于中央空调,包括三套管路系统:末端系统、机房系统、地耦管路系统。与传统的热泵空调系统相比,其不同之处主要在于地耦管路系统是由埋设于土壤中的地耦管,将土壤作为冷热源,通过热泵从中取热或向其排热,为建筑物供暖或制冷的一种空调系统。由于地表几米以下的地温常年相对稳定,冬季比空气温度高,夏季比空气温度低,因此和传统的风冷热泵相比,土壤源热泵可不受室外大气温度的影响,夏季制冷时冷凝温度较低,冬季制热时蒸发温度较高,系统可工作在更好的压力范围内,其EER值很高,节能效果显着。埋设地耦管有两种基本方式,一种是平埋,即在浅层土壤中挖沟埋管,通常应用于有较大场地的建筑物;另一种是立埋,即在地层中竖直钻孔,在钻孔中插入塑料管,并用封井材料填实,载热流体在塑料管内循环流动,从而实现管内液体与管外土壤的热量交换,该方式占地面积小,是常用的一种方式。

  近年来土壤源热泵系统以其良好的节能和环保特性,在欧美等国受到了极好的重视,已经进入成熟的商业化实用阶段,而我国在这方面的发展还处于起步阶段,工程应用较少,但其节能、环保和热稳定的特点正逐步引起科研设计部门和空调生产厂家的关注。本文将结合土壤源热泵系统在菏泽生建办公楼中央空调系统中的应用,对设计及运行情况作一介绍。

1 工程概况与系统设计

  山东省菏泽生建办公楼为A、B两座楼,间距50米,A楼为南北向单面2层楼,建筑高度9.9m,空调面积678m2;B楼为东西向单面2层楼,建筑高度8m,空调面积430 m2。两楼均为采暖、制冷设计,室内设计参数:夏季26±2℃,相对湿度45~55%;冬季20±2℃,相对湿度40%。夏季空调总冷负荷149.5 kW,冬季空调总热负荷105.3 kW。冷热源采用LRY-W150涡旋式水–水型土壤源热泵机组一台,名义制冷量148 kW,名义制热量150 kW。夏季提供7℃/12℃冷水,冬季提供55℃/50℃热水。空调水系统采用二管制,定流量运行,同程布置,循环泵一用一备。热泵机组及配套设备设在B楼一层机房。各办公用房均采用风机盘管送风。为充分发挥它的节能性,在设计地耦管换热器时我们同时考虑了土壤的温度、湿度、导热系数及管材直径、流速、热阻等,根据需要采用了立埋闭式环路系统,共钻孔42眼,分两组设在通往两楼的路下,占地面积约500 m2,矩阵型(2×10和2×11)分布排列,钻孔半径55mm,钻孔间距5m,钻孔深度70m,总钻孔量2940m,埋DN32单U型管,埋管长度5880m,埋管周围的空隙用钻孔回收泥浆填埋。水平干管埋在深度2m的水平沟内。地耦管材均选用高密度聚乙烯管,其正常寿命可达50年。制冷与供热工况间的转换通过调整机房配水管路中的换向来实现。为防止结垢、保持水质稳定,我们在地耦管内充注了软化水,为避免地耦管循环水在冬季运行时结冰,我们按能抵抗-7℃的低温加入了一定浓度的乙二醇溶液。

2 运行情况及数据分析

  上述工程于2003年12月竣工投入使用,在埋管前,我们对埋管周围的土壤进行了实测,冬季静水位在地下20米处,土壤为湿粘土,含水率较高,实测的土壤导热系数在1.2~1.8W/(m·℃)之间。地下20米处冬季平均温度16.2℃,夏季平均温度17.1℃。从12月20日开始,我们作了相关的运行记录,在地耦管循环水、空调循环水管路上共设了4个测温点,采用Pt100铂热电阻配三菱FX2N-4AD-PT温度模块测量温度,流量计量采用涡轮式流量计,热泵机组、地耦管循环泵、空调水循环泵、补水泵等的电耗通过电度表测得。热泵机组的制冷(热)量通过测量空调循环水进出口温差和相应的流量得到。地耦管的排(取)热量通过测量地耦管循环水进出口温差及相应的流量得到。

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