地源熱泵打井計算及方案（供參考）
時間:2022-02-15
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項目概況
項目共分三期；其中，二期辦公樓建筑面積為3200㎡，空調(diào)面積約為3000㎡；二期廠房一層建筑面積為11218㎡，空調(diào)面積約為8918㎡，夾層建筑面積6880㎡，空調(diào)面積約為4780㎡；三期廠房建筑面積6648㎡，空調(diào)面積約為1600㎡。二期和三期總建筑面積為27946㎡，總空調(diào)面積約為18298㎡。根據(jù)甲方要求，現(xiàn)需為二期和三期的廠房及辦公室配置空調(diào)系統(tǒng)。
設(shè)計依據(jù)
1、《民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》
2、《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB50019-2003)
3、《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 (GB50189-2005)
4、《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》 (GB50366-2005)
5、《埋地聚乙烯（PE）管材》 （CJJ101-2004）
6、《實用供暖空調(diào)設(shè)計手冊》
7、《空氣調(diào)節(jié)設(shè)計手冊》
8、《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB50243-2002）
9、《地源熱泵工程技術(shù)指南》，徐偉譯
10、 國際熱濕環(huán)境ISO7730《室內(nèi)熱濕環(huán)境的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)》
11、 世界衛(wèi)生組織《室內(nèi)空氣品質(zhì)WHO標(biāo)準(zhǔn)》
12、 甲方提供的建筑平面圖
暖通專業(yè)范圍
本項目單位空調(diào)冷指標(biāo)取120W/㎡，空調(diào)熱指標(biāo)取85W/㎡；則總冷負荷為2196KW，總熱負荷為1555KW。
采用節(jié)能、環(huán)保的地源熱泵系統(tǒng)為空調(diào)系統(tǒng)提供冷熱源，夏天制冷、冬天采暖，選用兩臺制冷量為1100KW的地源熱泵冷水機組。二期辦公區(qū)及廠房夾層空調(diào)末端主要采用風(fēng)機盤管+新風(fēng)的形式，二期、三期廠房部分空調(diào)末端主要采用組合式空氣處理機組+新風(fēng)的形式。
本項目室外地埋管采用垂直雙U型埋管，共360口，有效埋管深度為100米，埋管井間距取4.5米；單位孔深排熱量按56W/m，單位孔深吸熱量按34W/m（根據(jù)北京威樂項目地質(zhì)勘探報告）；室外打井位置為三期廠房區(qū)域及室外綠化帶。
除此之外，考慮到地源熱泵地下熱平衡性，需額外配置一臺閉式輔助冷卻塔，冷卻塔水流量為110m3/h。前期可不必安裝冷卻塔，只需預(yù)留安裝冷卻塔的接口及位置；根據(jù)地源熱泵使用過程中地溫變化情況及大小另行確認(rèn)是否安裝冷卻塔。
室外計算參數(shù)表
類型
夏季
冬季
單位
室外大氣壓力
99.8
102.0
kPa
室外空調(diào)計算溫度
33.2
-12.0
℃
室外通風(fēng)計算溫度
30.0
-5.0
℃
室外計算相對濕度
78
45
%
室外平均風(fēng)速
1.9
2.8
m/s
室外設(shè)計參數(shù)
地源熱泵系統(tǒng)特點
地源熱泵技術(shù)利用地殼表層低溫?zé)豳Y源作為空調(diào)機組的制冷及制熱的冷熱源，具有以下優(yōu)點：
1. 屬可再生能源利用技術(shù)
地表土壤和水體不僅是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47%的太陽輻射能量，比人類第年利用能量的500倍還多（地下的水體是通過土壤間接的接受太陽輻射能量），而且是一個巨大的動態(tài)能量平衡系統(tǒng)，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發(fā)散的相對的均衡。這使得地源熱泵利用儲存于其中的近乎無限的太陽能或地能成為可能。所以說，地源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術(shù)。
2. 高效節(jié)能
地源熱泵機組可利用的土壤溫度冬季為12-18℃，土壤溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。而夏季土壤為15-20℃，土壤溫度比環(huán)境空氣溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風(fēng)冷式和水冷卻塔式，機組效率提高。據(jù)我們所實施的工程經(jīng)驗估計，設(shè)計安裝良好的地源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶20-30%的供熱、制冷空調(diào)的運行費用。
3. 穩(wěn)定可靠
土壤的溫度一年四季相對穩(wěn)定，其波動的范圍遠遠小于空氣的變動，是熱泵機組很好的冷熱源，土壤溫度較恒定的特性，使得熱機組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性。不存在空氣源熱泵和冬季除霜等難點問題，克服了常規(guī)空調(diào)因外界氣溫的變化引起的多耗電，效果差等弊端。
4. 環(huán)境效益顯著
地源熱泵的使用電能，電能本身為一種清潔的能源，但在發(fā)電時，消耗一次能源并導(dǎo)致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。所以節(jié)能的設(shè)備本身的污染就小，設(shè)計良好的地源熱泵機組折電力消耗，與空氣源熱泵相比相當(dāng)于減少30%以上，與電供暖相比相當(dāng)于減少70%以上。
5. 一機多用，應(yīng)用范圍廣
地源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。特別是對于同時有供熱和供冷要求的建筑物，地源熱泵有著明顯的優(yōu)點。不僅節(jié)省了大量能源，而且用一套設(shè)備可以滿足供熱和供冷的要求，減少了設(shè)備的初投資。
6. 自動運行
地源熱泵機組由于工況穩(wěn)定，所以可以設(shè)計簡單的系統(tǒng)，部件較少，機組運行簡單可靠，維護費用低；自動控制程度高，使用壽命可長達25年以上。
地埋管換熱器設(shè)計
地埋管式換熱器是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的重點。地源熱泵的地下?lián)Q熱器所處的位置是在地殼中的淺層地表土壤中。土壤的類型、熱性能、熱傳導(dǎo)、密度、濕度等對地源熱泵系統(tǒng)的性能影響較大。需根據(jù)該項目的實際情況，計算單位管長的換熱器能力。具體設(shè)計步驟如下：
1）計算地埋管換熱器的最大換熱量
地埋管換熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤中吸收的熱量。根據(jù)如下公式計算土壤性換熱器的換熱量
Q1’=Q1 x（1+1/COP1）
Q2’=Q2 x（1-1/COP2）
其中：
Q1’：夏季向土壤排放的熱量，kW
Q1 ：夏季設(shè)計總冷負荷，kW
Q2’：冬季向土壤吸取的熱量，kW
Q2 ：冬季設(shè)計總熱負荷，kW
COP1：設(shè)計工況下地源熱泵機組的制冷系數(shù)
COP2：設(shè)計工況下地源熱泵機組的供熱系數(shù)
本工程夏季設(shè)計總冷負荷Q1=2196KW，總熱負荷為Q2=1555KW；地源熱泵機組的制冷系數(shù)COP1取5，供熱系數(shù)COP2為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
即系統(tǒng)夏季最大總排熱量為2635KW，冬季最大總吸熱量為1210KW。
2）豎井埋管管長
單位管長換熱量與地質(zhì)結(jié)構(gòu)成分有密切關(guān)系，而且各地質(zhì)層傳熱性能各有差異，在建立模型計算方面比較困難，而且也存在一定的誤差，根據(jù)北京威樂項目的工程經(jīng)驗來計算單位管長的換熱量，即單位孔深排熱量按56W/m，單位孔深吸熱量按34W/m。（單位換熱量可根據(jù)該項目巖土熱響應(yīng)測試后的實際情況調(diào)整）。
按排熱量計算地埋管的長度，計算公式如下：
L1= Q1’x1000/W
L1：豎井總深度，m
Q1’：換熱器總排熱量，kW
W1：單位孔深排熱量，w/m
因此：
豎井總深度：L1= Q1’x1000/W1=2635x1000/56=47054m
按吸熱量計算地埋管的長度，計算公式如下：
L2= Q1’x1000/W
L2：豎井總深度，m
Q2’：換熱器總吸熱量，kW
W2：單位孔深吸熱量，w/m
因此：
豎井總深度：L2= Q2’x1000/W2=1210x1000/34=35588m
采用按吸熱量計算結(jié)果作為埋管長度，多余部分熱量由輔助冷卻塔排出，
則豎井總深度L=35588m
則地埋管實際排熱量Q3如下：
Q3=L2xW1=35588mx56W/m=1993KW
3）豎井?dāng)?shù)目
根據(jù)工程的地質(zhì)條件，建議豎井深度為100m。(如果地下有巖層或其他硬物，則需另外考慮)。計算豎井?dāng)?shù)目：
N=L/H
其中：L：豎井總深度，m N：豎井口數(shù)，個 H：單口豎井深度，m
本項目豎井深度H=100米，因此
N=L/H=35588/100=355.9，取整數(shù)為356口；除此之外增加4口備用井。
則本項目室外地埋管總設(shè)計豎井?dāng)?shù)為360口。
4）豎井間距
本項目埋管孔徑約為120mm-150mm，下管深度100m，立管采用DE25的HDPE高密度聚乙烯管雙U管。根據(jù)工程經(jīng)驗，設(shè)計井間距為5m，既能滿足換熱的需求，又能節(jié)省埋管空間。地埋管換熱器管路連接方式結(jié)合串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式的優(yōu)越點比較，本工程選用并聯(lián)的換熱器連接方式。
5）冷水主機選擇
系統(tǒng)冷負荷為2196KW，熱負荷為1555KW；選擇2臺制冷量為310RT（1090KW）的螺桿式地源熱泵冷水主機，冷水主機型號為RTHD-D1。
6）冷卻塔選擇
輔助冷卻塔采用閉式冷卻塔，剩余部分熱量Q4由輔助冷卻塔排出：
Q4= Q1’-Q3=2635KW-1993KW=642KW
冷卻塔水流量V：
V=Q4x3600/(4200x5)=110m3/h
取冷卻塔水流量為110m3/h。
