工业设计论文范文某公共建筑地源热泵系统设计

发布时间：2013-10-29 09:39:51更新时间：2013-10-29 09:42:15 1

　　工业发展和劳动分工所带来的工业设计，与其它艺术、生产活动、工艺制作等都有明显不同，它是各种学科、技术和审美观念的交叉产物。本文是一篇工业设计论文范文，选自期刊《中国工业年鉴》杂志是由国务院国有资产监督管理委员会主管，国资委研究中心和国家发改委经济运行局主办的国家级经济类专业期刊，是由中华人民共和国新闻出版总署、正式批准公开发行的优秀期刊。
　　摘要：结合工程实例介绍了地源热泵复合系统的设计，重点介绍了地源热泵地下土壤换热器的设计，并分析了系统在节能和环保方面的优势。

　　关键词：可再生能源,地源热泵,土壤热,响应试验

　　0引言

　　随着经济社会的发展，我国能源需求持续增长，能源资源和环境问题日益突出，根据国务院常务会议讨论通过的《可再生能源发展“十二五”规划》，加快开发利用可再生能源已成为我国应对日益严峻的能源环境问题的必由之路。当前开发利用可再生能源已成为世界各国保障能源安全、加强环境保护、应对气候变化的重要措施。地源热泵系统作为可再生能源应用的主要途径之一，近年来在国内得到了日益广泛的应用。

　　1工程概况

　　本项目地块位于上海，地下一层，地上为五层，一层为健身康体中心，二层为健康教育中心，三层为食堂，四、五层为办公，建筑高度为23m，总用地面积5693m2，总建筑面积13100m2，其中地下部分建筑面积为3800m2，地上部分建筑面积为9300m2。

　　2空调冷热源系统选择

　　2.1.空调负荷计算

　　空调负荷计算软件采用上海华电源信息技术有限公司的《HDY-SMAD空调负荷计算及分析软件》，根据谐波反应法（负荷温差法）进行24小时逐时计算。计算得夏季空调峰值冷负荷为1691kW，冬季峰值负荷为791kW。

　　空调冷热源系统选择

　　采用风冷热泵系统是小型公共建筑空调冷热源系统设计中的常用形式，但是基于风冷热泵低效率和冬季结霜等因素，并根据我国现行提倡的环保、节能、可持续发展的战略思想，经方案比较，决定空调系统采用可再生能源地源热泵+冷水机组作为空调冷热源。冬季依靠地源热泵供热，夏季依靠地源热泵机组和冷水机组联合供冷。

　　根据工程特点选用2台每台制冷量/制热量为380kW/400kW的地源热泵机组和2台制冷量为480kW/台水冷螺杆式冷水机组作为空调冷热源，空调冷冻水的供、回水温度为7/12℃，热水供、回水温度为45/40℃。冷水机组的冷却水进出水温度为32.5/37℃，地源热泵主机地源侧夏季进出水温为31/35℃、冬季进出水温为9/5℃。

　　3地下土壤换热器设计

　　3.1.土壤热响应试验及埋管形式确定

　　目前，要获得地埋管与土壤间的换热特性主要有三种途径：利用简化模型数值计算、利用经验估计和作土壤热响应试验。由于地下情况多变，往往由多个地层组成，仅按照简化模型计算往往误差过大；经验估计值在方案分析阶段有一定的参考价值，但不能作为地源热泵系统的设计依据。此外，由于我国的地源热泵系统起步较晚，大多数地区缺少相关技术资料，因此有必要进行地埋管换热器的实地试验研究，以准确获得工程基地土壤的取、放热特性，为地源热泵系统的设计和运行提供可靠保证。

　　本项目热响应测试包括散热测试和取热测试两种，分别模拟夏季的空调制冷工况和冬季的空调制热工况。冬夏季工况均采用恒热流测试法，连续运行并建立实时测试数据库。表1是由东南大学在工程基地进行的土壤热响应测试基本数据汇总，测试对象为竖直埋深110m的单U并联和双U并联地埋管换热器。

　　由表1可见，流速为0.6m/s时，地埋管的换热能力优于流速为0.3m/s时的换热能力。双U并联的埋管形式地源井单位井深换热量明显高于单U并联的地源井。通过土壤热响应测试报告的数据，本项目地源井换热能力较好，适宜采用地源热泵空调系统。考虑打井面积等因素，埋管形式确定采用双U并联，埋管井深取100m。

　　3.2.土壤热平衡分析及埋管长度计算

　　埋管区域土壤好比一个巨大的蓄能体，地源热泵系统夏季将热量排至其中，冬季从中取出热量，热量的转移将引起土壤温度的变化，从而影响土壤换热器的换热量。现场的热响应试验只是短时间内的运行测定，测得的换热性能有别于实际长期运行时的值。

　　因此，有必要对整个埋管区域的长时间运行情况进行计算机数值模拟研究，根据埋管区域的土壤热物性等参数，得出地下土壤温度随时间变化的关系、土壤热积聚情况和土壤达到热稳定状态所需时间等，然后由分析结果计算出供冷季和供热季地源热泵系统的供冷、供热能力，确定合理的埋管有效长度，然后确定地源打井数量及井间距。

　　根据本项目地源测试报告土壤热物性参数、埋管形式、埋管深度、空调负荷及系统工况等相关数据，采用EED（EarthEnergyDesigner）专业地源模拟软件对地源井进行25年模拟设计计算，模拟计算得本项目所需地埋管有效长度约16351m，共需有效井深100m、双U并联埋管形式的地源井164口，井间距为5mX5m；另通过模拟计算需配置一台冷却能力为96t/h闭式冷却塔，冷却塔的进、出水温度分别为37/32.5℃，用于辅助散热，以保证地源侧热平衡。25年内土壤峰值温度变化如图1，土壤温度25年分布如图2，从模拟图可以看出：

　　图125年内土壤峰值温度变化图

　　图225年时土壤峰值温度变化图

　　在保证地源井数及配置辅助冷却塔的情况下，可控制25年土壤年平均温度波动小于1K，逐年土壤的温度波动基本维持不变的状态，热平衡状况较好。

　　4经济性与环境效益分析

　　为了对冷热源系统的经济性与环境效益进行分析，在此，对本项目冷热源系统同常规空调系统（风冷热泵）进行分析比较。表3为分析比较结果。

　　由表2可知，本项目地源热泵系统与常规风冷热泵系统相比较，每年节电约22%，空调运行费每年节约19.9万元，二氧化碳每年减排约110.9吨，节能环保效益明显。

　　5结论

　　地源热泵系统利用浅层地热能资源进行供热与供冷，具有显著的节能与环境效益。但由于地源热泵系统的特殊性，其设计方法是业内人士普遍关注的问题。基于本工程的实际应用，总结了地源热泵设计以下几点注意点：

　　1)在开始地源井设计前，必须对该地块进行土壤热响应试验，根据试验结果分析采用地源空调系统的可行性。

　　2)必须对系统进行方案论证，确定系统合理节能。

　　3)在设计地埋管布置时则必须结合冬夏季工况进行动态耦合计算，并进行土壤热平衡模拟计算，保证土壤温度在运行25年后温度变化不超过一定值（建议取1K~2K）。

　　4)结合土壤热平衡模拟分析，指导地源热泵、冷却塔的运行策略。