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地源热泵打井计算及方案

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地源热泵方案
l 项目概况
项目共分三期；其中，二期办公楼建筑面积为3200㎡，空调面积约为3000㎡；二期厂房一层建筑面积为11218㎡，空调面积约为8918㎡，夹层建筑面积6880㎡，空调面积约为4780㎡；三期厂房建筑面积6648㎡，空调面积约为1600㎡。二期和三期总建筑面积为27946㎡，总空调面积约为18298㎡。根据甲方要求，现需为二期和三期的厂房及办公室配置空调系统。
l 设计依据
1、 《民用建筑节能设计标准》
2、 《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019-2003)
3、 《公共建筑节能设计标准》 (GB50189-2005)
4、 《地源热泵系统工程技术规范》 (GB50366-2005)
5、 《埋地聚乙烯（PE）管材》 （CJJ101-2004）
6、 《实用供暖空调设计手册》
7、 《空气调节设计手册》
8、 《通风与空调工程施工质量验收规范》（GB50243-2002）
9、 《地源热泵工程技术指南》，徐伟译
10、 国际热湿环境ISO7730《室内热湿环境的相关标准》
11、 世界卫生组织《室内空气品质WHO标准》
12、 甲方提供的建筑平面图
l 暖通专业范围
本项目单位空调冷指标取120W/㎡，空调热指标取85W/㎡；则总冷负荷为2196KW，总热负荷为1555KW。
采用节能、环保的地源热泵系统为空调系统提供冷热源，夏天制冷、冬天采暖，选用两台制冷量为1100KW的地源热泵冷水机组。二期办公区及厂房夹层空调末端主要采用风机盘管+新风的形式，二期、三期厂房部分空调末端主要采用组合式空气处理机组+新风的形式。
本项目室外地埋管采用垂直双U型埋管，共360口，有效埋管深度为100米，埋管井间距取4.5米；单位孔深排热量按56W/m，单位孔深吸热量按34W/m（根据北京威乐项目地质勘探报告）；室外打井位置为三期厂房区域及室外绿化带。
除此之外，考虑到地源热泵地下热平衡性，需额外配置一台闭式辅助冷却塔，冷却塔水流量为110m3/h。前期可不必安装冷却塔，只需预留安装冷却塔的接口及位置；根据地源热泵使用过程中地温变化情况及大小另行确认是否安装冷却塔。
室外计算参数表
类型
夏季
冬季
单位
室外大气压力
99.8
102.0
kPa
室外空调计算温度
33.2
-12.0
℃
室外通风计算温度
30.0
-5.0
℃
室外计算相对湿度
78
45
%
室外平均风速
1.9
2.8
m/s
l 室外设计参数
l 地源热泵系统特点
地源热泵技术利用地壳表层低温热资源作为空调机组的制冷及制热的冷热源，具有以下优点：
1. 属可再生能源利用技术
地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳辐射能量，比人类第年利用能量的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量），而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散的相对的均衡。这使得地源热泵利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为可能。所以说，地源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。
2. 高效节能
地源热泵机组可利用的土壤温度冬季为12-18℃，土壤温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季土壤为15-20℃，土壤温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和水冷却塔式，机组效率提高。据我们所实施的工程经验估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户20-30%的供热、制冷空调的运行费用。
3. 稳定可靠
土壤的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的变动，是热泵机组很好的冷热源，土壤温度较恒定的特性，使得热机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵和冬季除霜等难点问题，克服了常规空调因外界气温的变化引起的多耗电，效果差等弊端。
4. 环境效益显著
地源热泵的使用电能，电能本身为一种清洁的能源，但在发电时，消耗一次能源并导致污染物和二氧化碳温室气体的排放。所以节能的设备本身的污染就小，设计良好的地源热泵机组折电力消耗，与空气源热泵相比相当于减少30%以上，与电供暖相比相当于减少70%以上。
5. 一机多用，应用范围广
地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，地源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。
6. 自动运行
地源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费用低；自动控制程度高，使用寿命可长达25年以上。
l 地埋管换热器设计
地埋管式换热器是地源热泵系统设计的重点。地源热泵的地下换热器所处的位置是在地壳中的浅层地表土壤中。土壤的类型、热性能、热传导、密度、湿度等对地源热泵系统的性能影响较大。需根据该项目的实际情况，计算单位管长的换热器能力。具体设计步骤如下：
1）计算地埋管换热器的最大换热量
地埋管换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤中吸收的热量。根据如下公式计算土壤性换热器的换热量
Q1’= Q1 x（1+1/COP1）
Q2’= Q2 x（1-1/COP2）
其中：
Q1’：夏季向土壤排放的热量，kW
Q1 ：夏季设计总冷负荷，kW
Q2’：冬季向土壤吸取的热量，kW
Q2 ：冬季设计总热负荷，kW
COP1：设计工况下地源热泵机组的制冷系数
COP2：设计工况下地源热泵机组的供热系数
本工程夏季设计总冷负荷Q1=2196KW，总热负荷为Q2=1555KW；地源热泵机组的制冷系数COP1取5，供热系数COP2为4.5。
Q1’= Q1 x（1+1/COP1）=2196x(1+1/5)=2635KW
Q2’= Q2 x（1-1/COP2）=1555x(1-1/4.5)=1210KW
即系统夏季最大总排热量为2635KW，冬季最大总吸热量为1210KW。

2）竖井埋管管长
单位管长换热量与地质结构成分有密切关系，而且各地质层传热性能各有差异，在建立模型计算方面比较困难，而且也存在一定的误差，根据北京威乐项目的工程经验来计算单位管长的换热量，即单位孔深排热量按56W/m，单位孔深吸热量按34W/m。（单位换热量可根据该项目岩土热响应测试后的实际情况调整）。
按排热量计算地埋管的长度，计算公式如下：
L1= Q1’x1000/W
L1：竖井总深度，m
Q1’：换热器总排热量，kW
W1：单位孔深排热量，w/m
因此：
竖井总深度：L1= Q1’x1000/W1=2635x1000/56=47054m
按吸热量计算地埋管的长度，计算公式如下：
L2= Q1’x1000/W
L2：竖井总深度，m
Q2’：换热器总吸热量，kW
W2：单位孔深吸热量，w/m
因此：
竖井总深度：L2= Q2’x1000/W2=1210x1000/34=35588m
采用按吸热量计算结果作为埋管长度，多余部分热量由辅助冷却塔排出，
则竖井总深度L=35588m
则地埋管实际排热量Q3如下：
Q3=L2xW1=35588mx56W/m=1993KW
3）竖井数目
根据工程的地质条件，建议竖井深度为100m。(如果地下有岩层或其他硬物，则需另外考虑)。计算竖井数目：
N=L/H
其中：L：竖井总深度，m N：竖井口数，个 H：单口竖井深度，m
本项目竖井深度H=100米，因此
N=L/H=35588/100=355.9，取整数为356口；除此之外增加4口备用井。
则本项目室外地埋管总设计竖井数为360口。
4）竖井间距
本项目埋管孔径约为120mm-150mm，下管深度100m，立管采用DE25的HDPE高密度聚乙烯管双U管。根据工程经验，设计井间距为5m，既能满足换热的需求，又能节省埋管空间。地埋管换热器管路连接方式结合串联和并联两种方式的优越点比较，本工程选用并联的换热器连接方式。
5）冷水主机选择
系统冷负荷为2196KW，热负荷为1555KW；选择2台制冷量为310RT（1090KW）的螺杆式地源热泵冷水主机，冷水主机型号为RTHD-D1。
6）冷却塔选择
辅助冷却塔采用闭式冷却塔，剩余部分热量Q4由辅助冷却塔排出：
Q4= Q1’-Q3=2635KW-1993KW=642KW
冷却塔水流量V：
V=Q4x3600/(4200x5)=110m3/h
取冷却塔水流量为110m3/h。
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