既有建筑空调系统方案设计论文

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1项目技术改造方案设计

1.1空调的计算冷热负荷

在潍坊市气候条件下，节能公共建筑单位建筑面积设计冷热负荷相对稳定，空调总冷负荷2640kW，空调总热负荷1650kW，冷指标为91W/m2，热指标为57W/m2，每年的空调负荷具有很强的规律性。

1.2既有建筑技术改造方案

1.2.1地埋管换热器地下热平衡分析地埋管全年吸热量Q取热=1473.69MWh，散热量Q散热=1872.8MWh。在考虑了机组的耗功量后地埋管换热器的散热量与取热量的比值要明显高于建筑物所需的冷负荷与热负荷的比值。地埋管的年累计放热量与取热量不平衡率为21.3%，地埋管侧的峰值排热负荷为3201kW，峰值取热负荷为1144kW，两者相差较大，如果按照冷负荷设计钻孔井数，钻孔费用较大，综合考虑冷热负荷平衡及钻孔费用，可将一部分冷负荷采用原有模块式空气源热泵机组承担，不仅可以减少钻孔数目，还可以平衡冷热负荷。由上述冷热平衡知:总排放热量为1872.8MWh，总吸取热量为1473.69MWh，不平衡率为21.3%，如果全部采用地源热泵工程满足冷负荷，地下的温度变化总体呈上升的的趋势，不满足地源热泵工程设计规范要求。

1.2.2初步设计方案根据调研数据的显示，系统原有40台模块式空气源热泵机组，单台供冷量为60kW，为了最大程度地满足冷热负荷的平衡，同时避免钻孔数目的过多，减少水泵能耗，该技术改造方案定为1台螺杆式热泵机组+19台原有模块式空气源热泵机组，原有模块式空气源热泵机组保持原有位置不再变动，既节省了设备迁移费用，又节约了总机房面积，热泵机组及钻孔数目根据冬季负荷确定。冬季热泵机组提供全部采暖负荷，为保证地源侧冷热负荷平衡，夏季供冷以地源热泵机组为主，模块式空气源热泵机组只在部分月份、部分时间段开启，可通过控制冷水机组的运行时间完全满足地源侧冷热负荷平衡。

1)岩土热物性参数测算。根据工程所处的地质状况以及以往工程经验，岩土的导热系数预估为1.66W/(m•℃)，体积比热1.993×106J/(m3•℃)。在方案确定后，应进行现场测试，即在不同位置选定2～3个测试孔，进行热响应测试实验，然后利用参数估计法计算当地的地下岩土导热系数及比热。

2)地埋管换热器设计参数的选取。采用地热换热器设计模拟软件—地热之星GeoStar(V3.0)对该工程建筑进行优化设计计算。选取垂直双U型埋管，因钻孔较深，土壤取散热能力较浅层大，换热能力强，通常是土壤浅层的5倍以上，并且所需占地面积较小［2－3］。由于该地的地质构成主要为泥沙与岩石，钻孔难度适中，每米钻孔费用相对较高，每个钻孔内设置双U型管在一定程度上降低系统的初投资。同时根据该工程周边可利用的钻孔空地面积有限，采用双U型管，可大大减少钻孔的占地面积。工程设计的基本参数为:钻孔回填材料采用的高性能回填材料，导热系数为1.82W/(m•K);进入热泵循环液的最高/最低温度分别是:33℃/4℃;De32的双U型管，钻孔直径为150mm;系统运行寿命设计为20a;岩土平均导热系数为1.66W/(m•℃)，容积比热容约为1.993×106J/(m3•℃)，岩土的初始温度为15.2℃。

3)地埋管换热器的长度设计计算。根据工程设计的基本参数，采用设计计算软件对建筑进行地埋管长度的设计计算。经过计算，所需的总地埋管换热器的钻孔长度约为33000m，每个钻孔深度为100m，共需330个钻孔，钻孔行列间距均为5m，所需钻孔面积为8250m2，建筑周边条件能满足钻孔面积的要求。

4)地埋管布置形式设计。对于地源热泵空调工程，竖直地埋管换热器宜分组连接，且每组不超过换热器总数的10%。因此根据钻孔设计布置情况，以6个钻孔或4个钻孔组成一个水平环路就近通过钢塑转换接头与分集水器连接，室外分集水器之间由水平主干管连接，水平主干管采用同程式连接方式。地埋侧水平管路采用地埋敷设方式，水平支管敷设深度为2.0m，水平干管敷设深度为1.5m。钻孔间的设计间距为5m，钻孔的直径为150mm。地源热泵系统模拟在设定好以上参数的条件下，对整个地源热泵系统的运行进行了10a的模拟计算，得到的温度曲线不仅为该系统的可行性提供了热平衡依据，而且对工程设计及运行管理也有一定的指导性作用。地源热泵系统运行10a期间的循环液进出热泵的月平均温度变化曲。以看出，在运行1个采暖与空调周期后地下岩土温度变化幅度很小，但由于地埋管的年取热量略微小于年释热量，所以地下的温度变化总体上呈缓慢上升的趋势。该项目可采用如下措施:适当增加冬季空调运行时间;可适当地增加地埋管各钻孔之间的间距，降低埋管间的热干扰，增大蓄热体，有利于地埋管向周围岩土中释放热量;间歇运行，有利于地温的恢复在夏季气温较低时，可以间歇性地运行或停止部分热泵机组，使地下岩土蓄热体有较长地温恢复时间，提高换热温差，延长系统在高效率点的运行时间。空调冷热源机房位于原有机房内。

2经济性分析对既有建筑的地源热泵系统与原有的空调系统

进行了经济性对比如表8所示。计算结果表明:地源热泵系统增加的初投资大约为567.5万元;系统运行按20a计，地源热泵系统可比模块式空气源热泵机组加集中供热系统节省运行费用1336万元，系统投资回收年限为8.5a。

3系统能效分析及节能量计算

每个月相对于原有的集中供热+模块式空气源热泵机组空调系统。年可节约319.78吨标准煤。现有系统全年耗能量为1949.6MWh，改造后系统全年耗能预计为918MWh。与原有空调形式相比，采用地源热泵+模块式空气源热泵机组改造方案后，5结语地源热泵系统改造项目的总投资为567.5万元，地源热泵系统运行后将带来显著的环境效益。改造项目采用新方案每年节能量为319.78吨标准煤，相当于每年减少CO2排放量797.2t，减少SO2排放量2.4t，减少NOx排放量1.24t，减少碳粉尘217.5t。节能改造项目并不是一味地追求节能，而不考虑投资成本，该项目在确定方案时，综合考虑了现有的周边能源情况及既有建筑物内冷热源情况，最终方案确定为地源热泵机组与原有模块式空气源热泵机组结合使用，该方案具有以下优势:

1)可以减少原有设备的拆迁、迁移费用;

2)在平衡地埋管侧冷热负荷的同时，可以降低钻孔费用;

3)可以减少地源热泵机房设备的初投资及机房面积。

作者：杨杰 李巍 陈庆程 单位：山东建筑大学热能工程学院 济南中建建筑设计院有限公司