上海市xx某高楼地源热泵设计

上海市 XX 某高楼地源热泵设计 一、热泵系统运行原理图 井井井过 滤 器井(井蒸发器 冷凝器节 流 阀 空调器 空调器空调器过 滤 器 二、设计选型 图纸为上海市 XX 某高楼。该建筑物是一幢五层高的高楼，层高 5.1m,总建 筑面积约为 15000m。该学校处在上海市，本建筑所在地区，地下约 80m 以上 的地层，为粉质粘土、粘土和砂砾堆积层，没有坚硬的岩石层，较适于地下换 热器的安置.选用土壤源热泵作为空调系统冷热源的设计方案 1、建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算气象资料（上海） 1 室外设计参数 冬季空调：1.2，夏季空调:34.6，夏季空调室外计算湿球：28.2，冬季空调室 外计算相对湿度：74%。 2 室内设计参数 冬季为：1822，夏季为：2428 3 深井取水设计参数 井水取水量 调节水池储水量 井水温度 设计计算冬季 井水温度 设计计算夏季 井水温度 160t/小时 800t 24.5 24 25 建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，可参考有关 空调系统设计手册，在此不再赘述。 冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热 量。可以由下述公式 2计算： kW （1）11COPQ kW （2）22 其中 夏季向土壤排放的热量，kW1 夏季设计总冷负荷，kWQ 冬季从土壤吸收的热量，kW2 冬季设计总热负荷，kW 设计工况下水源热泵机组的制冷系数1COP 设计工况下水源热泵机组的供热系数2 一般地，水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、 制热量以及制冷系数、供热系数，计算时应从样本中选用设计工况下的 、1COP 。若样本中无所需的设计工况，可以采用插值法计算。根据图纸求得建筑2COP 物总冷负荷：674KW；建筑物冷负荷指标:103 W/m2； 建筑物总热负荷:665 KW ；建筑物热指标:99W/m2 。 Q1=678(1+1/5.3)=805.9kw；Q2 =625(1-1/4.3)=481kw 2、地埋管的选取 地下热交换的性能和质量是保证地源热泵系统长期的稳定性和可靠性的关 键。一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋 入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。常规空调系统中使用的金属管材在这 方面存在严重不足，且需要埋入地下的管道的数量较多，应该优先考虑使用价 格较低的管材。所以，土壤源热泵系统中一般采用塑料管材。目前最常用的是 聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状， 可以保证使用 50 年以上；而 PVC 管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易 导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。本系统综合场地和费用等各方面 的考虑，采用立式双管同程系统。 3、确定管径 在实际工程中确定管径必须满足两个要求：（）管道要大到足够保持最 小输送功率；（）管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁 之间的传热。显然以上两点矛盾，需要综合考虑。一般并联管路用小管径，集 管用大管径，地埋管常用的管径有 20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速 控制在 0.6 m/s 以下，对更大的管道，管内流速控制在 2.0m/s 以下或把管道压 力损失控制在 4mH20/100m 当量长度以下。选用聚乙烯管材 PE63（SDR11），并 联环路管径为 DN25，集管管径分别为 DN32、DN40、DN50、DN 70、DN 80、DN 100、DN 110、DN 140。 4、 确定竖井埋管管长 地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当地 的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等。文献2介绍了一种计算方法共分 9 个步骤, 很繁琐，并且部分数据不易获得。在实际工程中，可以利用管材 “换热能力”来计算管长。换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量， 一般垂直埋管为 70110W/m(井深)，或 3555W/m(管长)，水平埋管为 2040W/m（管长）左右3。 设计时可取换热能力的下限值，即 35W/m（管长） ，具体计算公式如下： （3）3510 QL 其中 竖井埋管总长，m 夏季向土壤排放的热量，kW1 分母“35”是夏季每 m 管长散热量，W/m 最低进口流体温度 下热泵机组的的制热性能系数 也根据热泵机组数MINTHCOP 据而确定。 不小于当地冬季室外气温再加上 4.4。根据空气调节设计I 手册，武汉市的冬季室外气温为-5，这里确定 为-1，符合土壤源热MINT 泵系统对最低进口流体温度的要求。经计算得 =17156.3mHL 5、 确定竖井数目及间距 国外，竖井深度多数采用 50100m 2，设计者可以在此范围内选择一个竖 井深度H，代入下式计算竖井数目: （4）LN2 其中 竖井总数，个 竖井埋管总长，m 竖井深度，mH 分母“2”是考虑到竖井内埋管管长约等于竖井深度的 2 倍。 然后对计算结果进行圆整，若计算结果偏大，可以增加竖井深度，但不能 太深，否则钻孔和安装成本大大增加。 关于竖井间距有资料指出：U 型管竖井的水平间距一般为 4.5m3，也有实 例中提到 DN25 的 U 型管，其竖井水平间距为 6m，而 DN20 的 U 型管，其竖井水 平间距为 3m4。若采用串联连接方式，可采用三角形布置（详见2）来节约 占地面积。可计算得孔深为 86m. 6、 计算管道压力损失 在同程系统中，选择压力损失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进 行阻力计算。可采用当量长度法，将局部阻力件转换成当量长度，和管道实际 长度相加得到各不同管径管段的总当量长度，再乘以不同流量、不同管径管段 每 100m 管道的压降，将所有管段压降相加，得出总阻力。 7、 水泵选型 热泵的选择计算: 总冷量=维护结构冷负荷新风冷负荷=669kw 总热量=维护结构热负荷新风热负荷=613kw 由于夏天采用冷却塔加热泵的形式，所以选热泵时应根据冬天的热负荷。 可选两台 GSHP430。 GSHP430 性能参数： 制冷量：430KW;制热量 519KW； 输入功率：制冷：81.13KW; 制热：117KW 容量调节范围：25%-100% 蒸发器性能参数： 水管尺寸：DN125; 制冷实用工况冷却水流量：84.2m 3/h 制热实用工况热源水流量：48m 3/h 冷凝器性能参数： 水管尺寸：DN125 制冷实用工况冷却水流量：50m 3/h 制热实用工况热源水流量：86m 3/h 机组阻力：45000pa1.地下盘管循环水泵： 冷却水流量：Q=W/（4.2 ）t 式中：W地下盘管承担的冷负荷，由前计算可得 805kw 由所选机组决定，在这为 100Ct 计算可得 Q 为 19kg/s 系统总阻力： P=地下盘管沿程阻力+热泵机组阻力=61+45=106kpa 水泵扬程：P=1.2P=127.2KPa =12.7mH20; 水泵水量: Q=1.2Q=82 m 3/h 选三台苏州制泵公司的 KLW50-125（I）A：流量 29 m3/h；扬程 14.4m;电 功率 2.2kw 2.冷却水循环水泵： 水流量：Q=W/（4.2 ）t 式中：W冷却塔承担的冷负荷，由冬夏两季的负荷差可得 324 kw 由所选冷却塔决定，在这为 50Ct 计算可得 Q= 54 m3/h 水泵扬程为：冷却塔系统的沿程阻力 X1.2=8582X1.2=10298.4pa 水泵流量为：54X1.2=64.8 m 3/h 选择两台北京制泵公司生产的KQL 80/300-30/2：流量32.5 m 3/h；扬程9m; 电功率2.2kw 8 冷却塔型号 根据参考文献得冷却塔流量计算公式 GT =Q/ t C P 式中：Q冷却塔需处理的冷负荷 在本系统中为冬夏两季地下盘管承担 负荷之差。 Q=324kw CP水的定压比热 4.174 kj/kg. 0C t冷却塔进出水温差 6 0C 根据参考文献的公式 可计算得冷却塔的流量为 15kg/s 根据流冷却塔的选型与冷却塔的循环水量 GT (m3/h) ,冷却塔进水温度 t1, 进出水温差t,室外湿球温度 t 选金日冷却水塔低噪音型。根据流量，由于武 汉的湿球温度为 28，选 KLN70（空调型） 9、 校核管材承压能力 管路最大压力应小于管材的承压能力。若不计竖井灌浆引起的静压抵消， 管路所需承受的最大压力等于大气压力、重力作用静压和水泵扬程一半的总和 1，即： hpgp5.00 其中 管路最大压力，Pap 建筑物所在的当地大气压，Pa0 地下埋管中流体密度，kg/m 3 当地重力加速度，m/s 2g 地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差，mh 水泵扬程，Pahp 经计算本设计符合要求。 三、 可行性分析 （1）地源热泵的环保性 没有尾气排放,不污染大气，噪音低，能耗小，使用寿命长，不消耗水资 源。 （2）地源热泵的经济性 地源热泵空调系统总投资为每平方米投资为 290 元左右,采用大地的能 量来作为供热的能源,运行费用省。 （3）地源热泵的稳定性 大地收集了 47%的太阳能量,是取之不尽、用之不竭的廉价能源,大地 土壤的温度(10 米以下)常年恒温,温度恒定在 13-15之间，使用地源热 泵空调系统就可以在夏天制冷时,把热量排到地下贮存起来,冬天供热时, 再把热量取出来使用，因此,地源热泵空调系统耗电功率小,不受环境空 气环境温度的影响,稳定性特别好。 四、参考文献： 1