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1、桩埋管地源热泵+蓄冰空调系统的设计及能耗分析,南京城镇建筑设计咨询有限公司 绿色建筑技术应用研究中心 2012.10,一、前 言,一、前 言,地源热泵技术是目前较为成熟的供暖制冷技术，可冬天供热，夏天制冷，具有高效节能、环境污染小、运行稳定可靠、运行费用低等优点。 与此同时，地埋管换热器较大的占地面积及钻井埋管高额的施工费用在一定程度上也制约了其广泛推广，特别是在寸土寸金的城市中心，建筑高度与建筑占地面积的比例越来越大，成为了采用这一节能技术的瓶颈。因此，利用结构桩埋管的换热器形式就显得尤为重要。,一、前 言,对于广大南方地区而言，大部分情况下冷负荷大于热负荷，特别是对于有餐饮功能的建筑，其夏
2、季高峰冷负荷往往很大，如果按照冷负荷标准选择机组，则会导致机组的制热能力大大超出建筑物的热负荷需求，造成机组投资和运行浪费；若按照热负荷标准选择机组，则会出现夏季制冷量不足的现象。 同时，夏季供电高峰时期的电力供应紧张情况时有发生，因此，冰蓄冷技术也倍受人们的关注。,一、前 言,将桩基埋管的地源热泵与蓄冰空调相结合，冬季仅热泵工作，夏季热泵和冰蓄冷空调共同运行，不仅可以降低地埋管换热器的初投资,而且还可以实现地源热泵机组的间歇运行,有利于土壤温度场的有效恢复。同时，这种系统还具有削峰填谷的功能。在提倡节约型社会的今天，采用桩基埋管地源热泵与蓄冰空调相结合的系统，不但符合国家的节能减排政策，也符
3、合用户的根本利益。 本文通过实际建成运行近两年的南京某广场空调系统为例，结合实际运行的各项参数介绍桩埋管地源热泵+蓄冰空调的设计并分析其运行能耗。,二、工程概述,二、工程概述,2.1 工程情况： 该项目为地产商开发的综合性写字楼建筑，位于南京河西新城区。该建筑地下2层，地上19层，地下12层为停车库及员工食堂，1层为物业管理用房及银行，24层为餐饮、娱乐，其他层为办公建筑。地上建筑面积49416m2，地下建筑面积21411m2，总建筑面积70827m2，总用地面积13800m2。分主楼与辅楼两个部分。主楼建筑面积45006.59m2，空调面积38223.56 m2。 由于受到埋管等因素的限制，
4、采用桩基埋管的地源热泵及蓄冰空调的建筑面积仅为14597.61m2，包括地下1层员工餐厅，1层物业用房、大堂，2层营业性餐厅及1619层办公用房。其他部位采用多联机空调系统。,二、工程概述,二、工程概述,2.2 围护结构的建筑节能设计 建筑外围护结构采用外墙外保温系统，干挂石材，内贴30mm厚挤塑聚苯板于外墙上，外墙传热系数K值为0.79W/(m2K)；外门窗采用断热铝合金型材，中空低辐射玻璃，K值达到了2.0W/(m2K)；屋面铺设40mm厚挤塑聚苯板，K值为0.61W/(m2K)。对容易产生热桥的部位做保温处理。同时还采用了立面窗栅上外遮阳技术。,图：干挂石材外墙外保温系统示意,图：铝合金
5、窗立面示意,二、工程概述,2.3 空调末端情况 空调末端采用风机盘管+新风的方式，新风采用带冷媒的转轮热回收新风机以便回收排风能量。,图：转轮热回收新风机原理系统示意,二、工程概述,2.4 地质情况 该项目场地位于南京河西地区，地貌为长江漫滩。根据野外钻探鉴别、现场原位测试及室内岩土试验成果综合分析，场地岩土层分布自上而下分别为：0.559.1m为杂填土、素填土、淤泥质粉质粘土、细砂；57.262. 5m为粉质粘土混卵砾石，卵砾石含量约1520左右，粒径25cm大小不等；59.363.1m为强风化泥岩、泥质粉砂岩； 60.770.5m为中风化粉泥岩、中风化泥质粉砂岩。,三、冷热负荷的确定,三、
6、冷热负荷的确定,3.1 全年负荷的确定 采用全年空调负荷分析软件，得出全年负荷如下图。,三、冷热负荷的确定,3.2 典型设计日逐时冷热负荷的确定 根据南京地区室外气象设计参数及业主对室内环境的要求，夏季设计最大冷负荷为1303.62kW，峰值热负荷为1007.76kW，各时段负荷分布如图1所示（18点以后考虑为加班负荷）：,三、冷热负荷的确定,四、工程桩内埋管换热的研究,四、工程桩内埋管换热的研究,地源热泵系统中，地下换热器常见的埋管方式为水平埋管式和垂直埋管式。长江三角洲大部分地区的浅层土是软土，属第四纪沉积层，承载力差。该地区内高层建筑的基础普遍采用桩基，尤其以钻孔灌注桩居多。 因此，地源
7、热泵在有条件时宜采用工程桩内埋管的方式。该方式具有占地较少，换热能力高；减少钻孔和埋管费用低等优点。 目前常用的桩内埋管有垂直埋管和螺旋埋管两种方式，根据调研，螺旋埋管受到起重机具和成品保护等因素的制约，在国内成功率较低。因此本项目采用的是灌注桩垂直埋管的方式。,四、工程桩内埋管换热的研究,本工程在桩径800mm，钢筋笼内径700mm 的灌注桩内采用垂直埋管的形式，即埋入桩基的U型管一进一回形成环路，通过桩与周围大地进行换热。lm以下地下土壤温度仅受年平均气温影响，不再受日平均气温影响，这对热泵运行非常有利。桩埋管地源热泵系统夏季在土壤中蓄热，冬季从土壤中取热，这样冬夏季循环使用，形成了绿色热
8、泵技术。,四、工程桩内埋管换热的研究,垂直桩埋管系统中存在的施工难点： （1）工期紧：要求施工进度追随桩基施工进度。 （2）现场施工面不足：由于桩基施工全面铺开，土方堆放占用场地，大型机械进出较多，留有施工面小，难以开展大规模施工。 （3）下管难度大：由于只能在钢筋笼内壁和混凝土导管之间下管，距离狭小，不易保证成功率。 （4）成品保护：桩基施工都为大型机械开挖，对地埋管很容易造成损坏，特别是截桩施工，成品保护工作任务艰巨。,四、工程桩内埋管换热的研究,尽管桩内埋管存在一定的施工难度，但只要同桩基施工单位密切配合，严格按施工工艺要求去实施，还是可以保证较高的成功率的。 在中心城区建筑楼层高，占地
9、面积小，加之一般都有地下车库，所以采用工程桩内埋管是最适宜的方式。同时，还可以在保证换热器间距的同时在土壤中补孔埋管，充分利用地下换热资源。,五、地下换热器的换热性能测试,五、地下换热器的换热性能测试,根据上述设计思路，我们委托南京工业大学暖通工程研究所进行了为期2个月的实地测试，获得了HDPE管在不同布置方式、不同工况下与桩基的实际换热能力数据，为该广场地源热泵换热系统设计提供了依据。试验及其结果分成两部分：排热试验和取热试验。,五、地下换热器的换热性能测试,5.1地源热泵换热测试装置。 测试装置有恒温加热水箱和风冷冷水机组、水泵、控制系统以及其他一些辅助仪表。对HDPE管材在灌注桩内以外径
10、25mm，双U型布管的换热测试。 5.2 排热试验 排热试验模拟夏季的运行工况，从房间中取出来的热量，通过HDPE管排向地下土壤，测试地埋管在夏天的散热能力。试验结果为116W/m。 5.3 取热试验 取热试验是为了确定HDPE管从土壤中的取热能力。试验结果为85W/m 左右。,五、地下换热器的换热性能测试,5.5 综合取值的确定 根据试验数据，考虑到数据的稳定性，并参照国内外的土壤换热器的经验数据，最终确定： 灌注桩内埋管254个、均深54米/口井，双U（DN25）型埋管，夏季放热75w/m桩深，冬季吸热60w/m桩深。 由于工期的原因，最终放弃了在土壤补孔，只实施了桩内埋管。桩间距为8.4
11、米，施工成功率为98%。,六、地源热泵+蓄能空调系统方案,六、地源热泵+蓄能空调系统方案,6.1 方案原理图,六、地源热泵+蓄能空调系统方案,6.2 地源热泵主机设备,六、地源热泵+蓄能空调系统方案,6.3蓄冰装置,本系统按照主机优先模式进行设计。夏季采用2台带不完全冻结式导热塑料蓄冰盘管的1072kWh蓄冰槽储冷，每日夜间24:008:00共8小时的制冰周期内，三工况热泵主机全负荷运转制冰储存在储冰装置中。白天负荷高峰期，在主机供冷的同时，储冰装置参与融冰供冷。 机房内还配套制冷板式换热器，夏季换热量553kW；冬季换热量438kW。,六、地源热泵+蓄能空调系统方案,6.3蓄冰装置,本系统采
12、用的主机上游串联流程可以实现以下四种运行模式： （a）主机蓄冰模式； （b）融冰单独供冷模式； （c）主机单供冷模式； （d）主机与蓄冰装置联合供冷模式； 应可能的优化运行策略，可以使空调供冷得到最优化的分配，同时最大限度的降低运行电费。,六、地源热泵+蓄能空调系统方案,6.4其他辅助设备 另外设置2台冷却塔辅助冷却，冷却水量：150 m3/h.台，布置在主楼屋顶。作为夏季平衡岩土温度时使用。此外，机房还配套有冷却水板式换热器、末端定压装置、埋管定压装置、乙二醇补液定压装置等设备。,六、地源热泵+蓄能空调系统方案,6.5制冷机房布置 根据系统工艺要求，机房布置在地下二层。考虑蓄能装置的占地面积
13、，机房建筑面积为520平方米。,六、地源热泵+蓄能空调系统方案,七、项目投资及运行情况,七、项目投资及运行情况,根据权威机构的低能耗建筑应用示范项目测评报告，实测能效评估该项目建筑节能率为65.31%。采用该空调系统每年将节约用电286.403MWh，相当于节约标煤101.4吨，减排温室气体223吨（与常规空调相比）。同时夏季最高峰时可削峰248.860MWh。,七、项目投资及运行情况,本项目工程决算价格为桩内埋管部分的费用为80万元；机房部分为320万元；末端部分为340万元，合计740万元，跟传统的多联机空调系统相比，初投资增加56万元；跟水冷螺杆机+燃气锅炉空调系统相比，初投资增加226
14、万元。但由于采用工程桩内埋管的形式。省去埋管钻孔工作，直接节省工程费用95万元左右。,七、项目投资及运行情况,该项目于2007年底施工图完成，2008年即被江苏省定为“可再生能源建筑应用、低能耗建筑示范项目”；2009年底通过了住房和城乡建设部的节能工程检查。2010年11月竣工投入使用以来，管理规范，运行可靠，实测运行数据表明系统的各项性能指标均达到了原设计要求，并于2011年8月顺利了通过江苏省住建厅节能示范项目专项验收，运行能耗数据目前已同住建部能源监测点联网。 2010年，该项目获得南京市优秀设计二等奖，江苏省城乡建设系统系统优秀勘测设计二等奖。,七、项目投资及运行情况,江苏省住建厅节
15、能示范项目专项验收,该项目的验收报告及能耗测评报告,七、项目投资及运行情况,八、地源热泵机组的运行数据分析,八、地源热泵机组的运行数据分析,该广场从2010年11月份投入运行以来，到2012年2月采暖期结束止，已经运行了一个制冷季（2011年5月1日2011年9月30日计153天），两个采暖季（2010年12月16日2010年3月17日计122天, 2011年11月21日2012年2月29日计101天），在此期间，建筑物内的热舒适状况普遍良好, 完全满足设计要求。,八、地源热泵机组的运行数据分析,2.1运行期间室外气温、岩土温度情况及供回水温度变化,机组运行期间，第一个供暖期室外气温普遍偏低，
16、根据气象统计该供暖期平均室外气温比南京典型年气温低了0.61 左右，2011年制冷期平均室外气温大体同南京典型年气温相同，而第二个供暖期室外气温又比南京典型年气温高0.40.8 左右。根据原始岩土温度及不同运行工况的测试数据，发现岩土温度存在以下特征：冬夏季运行期间，岩土温度基本上不随时间变化；地面10 m以下，岩土温度竖向分布基本一致，在1820 之间波动；受地面气温影响，地下5 m处岩土温度变化稍大。冬夏季运行末期，岩土温度基本无明显变化。,八、地源热泵机组的运行数据分析,2.1运行期间室外气温、岩土温度情况及供回水温度变化,八、地源热泵机组的运行数据分析,2.2运行期间地源水侧水温曲线,
17、在夏季运行期间地下岩土层换热器水温随运行时间呈上升趋势，地源水进水温度最高值和最低值分别为30 和20 ，平均在25 左右，均在正常范围内；地下岩土温度变化幅度和趋势同室外气温（日均值）关联不大，在岩土表面一定深度范围内的岩土温度已不再受室外气温的干扰。但换热桩附近的岩土温度升高，地埋管侧出水温度随之逐步上升。,八、地源热泵机组的运行数据分析,2.2运行期间地源水侧水温曲线,在冬季运行期间，岩土层换热器水温大致呈现逐步下降的趋势，其原因为气温越低，所需供热量越大，从地下岩土中取得的热量也就越大，换热桩附近的岩土温度也随之下降，地源水进水温度最低值和最高值分别为13 和23 ，平均在16 左右，
18、并未出现急剧变化，最终趋于稳定。在运行后期，岩土层换热器水温小幅度上升，主要是因为这一时间段内室外气温相对于之前有了较大幅度的回升，大部分空调处于间歇开启或关闭状态，换热桩附近的岩土具备了一定的恢复时间，岩土温度开始逐步升高。,八、地源热泵机组的运行数据分析,2.2运行期间地源水侧水温曲线,八、地源热泵机组的运行数据分析,2.2运行期间地源水侧水温曲线,同样也可以看出，尽管岩土温度主要受排入到岩土中的冷热量影响，空调系统运行时间越长，累积热量越多，但由于桩间距较大（8 m），温度测点桩受到临近的换热桩冷热量堆积的影响并不大，岩土温度基本无变化，可见，埋管的间距加大，有利于换热桩周围岩土温度的迅
19、速恢复。,八、地源热泵机组的运行数据分析,2.2运行期间地源水侧水温曲线,办公建筑的使用特点是白天使用率高，夜间使用率很低甚至为零。这种建筑特性决定了负荷的持续性，因此系统也根据上下班的时间进行间歇运行。白天处于高负荷，在中午较短的时间内转为低负荷（仅员工餐厅及2层营业性餐厅呈爆发性负荷，夏季尤为明显），下午上班后恢复高负荷，晚上营业性餐厅下班到第二天上班前负荷降低至零，这个时段为地源热泵地埋管换热器的恢复期。因此，在运行时间内，负荷强度平稳，冬季和夏季均是这种情况。,八、地源热泵机组的运行数据分析,2.2运行期间地源水侧水温曲线,整个系统在运行过程中，埋管水系统及空调水系统的进水温度、出水温
20、度均未出现异常，其分布规律呈锯齿形，地源水侧温度呈“上升下降上升”不断重复的波动趋势，且与建筑负荷大小关系明显：56月为制冷初期，此时由于建筑负荷较小，因此排放至地下的热量较小，温度波动幅度较小；78月为制冷中期，此时由于室外气候影响，建筑负荷较大，温度波动幅度较大且波动幅度上升，地源水侧温度最高值达到30 ；910月为制冷末期，此时建筑负荷逐渐下降，温度波动幅度减小。即在当日供冷或供暖结束时温度达到最高或最低，次日开机水温往往就能恢复到前一日开机时的状况，因此整个机组的效能大大超出了原设计的正常范围。,八、地源热泵机组的运行数据分析,2.3热泵机组运行水温曲线,二工况热泵机组夏季运行水温曲线
21、,二工况热泵机组冬季运行水温曲线,三工况热泵机组夏季运行水温曲线,八、地源热泵机组的运行数据分析,2.3热泵机组运行水温曲线,冬季空调系统供水温度基本保持在3443 ，夏季空调系统供水温度基本保持在715 ，能够满足末端风机盘管的使用要求；夏季采用冷却塔辅助冷却方式制冰，由于夜间温度较低，冷却水温度一般控制在32 以下。 由于系统采用的是定流量设计，在制冷季初期和末期及冬季由于操作人员经验不足导致空调供水管常常出现“大流量，小温差”的情况，经过一年的摸索，通过控制水泵的开启台数来逐渐改善这种状况，地埋水管和空调供水管进出口温差全年控制在1.314.52 。可见地埋管换热器的换热效果比较稳定，运
22、行稳定性要比空气源热泵好得多。同时随着温差的加大，节能效果也更明显。,八、地源热泵机组的运行数据分析,2.3热泵机组运行水温曲线,在埋管水流量、进出口水温差相差不大的情况下，两个末寒期蒸发器侧进口水温都未低于13 ，一个末暑期冷凝器侧进口水温未高于30 ，机组的运行效率大大高于设计值。增加辅助散热装置（如冷却塔、蓄冰装置等），与地源热泵组成混合系统，有利于使土壤保持能量平衡，土壤温度保持稳定，系统常年运行工况稳定且效率更高。,九、运行期间机组能耗情况分析,九、运行期间机组能耗情况分析,9.1 为了得到地源热泵系统在初暑期到末寒期,整个机房的能效比EER。分别对空调机组的各项指标及整个机房的设备
23、运行能耗指标数据进行了分析。由于开机后水温有一定的不稳定时间, 加之经常出现了频繁地开机以及单机头加载和卸载的情况, 故选取比较稳定的一段时间的各状态点性能参数, 取平均值整理得到。,a 夏季,b 冬季,九、运行期间机组能耗情况分析,9.2运行期间系统电量统计,九、运行期间机组能耗情况分析,9.3运行期间系统峰谷用电量统计,九、运行期间机组能耗情况分析,9.4 2010年12月16日2011年3月17日总用电量206.606MWh(电表累积值,下同），冬季耗热量为764.444MWh (热表累积值,下同），可以得出系统冬季平均EER为3.7，空调运行时间1380h，平均热负荷为553.94kW
24、，地埋管平均换热量404.22kW，平均每根桩每米的地埋管换热量为29.47W/(桩m)。此季最大热负荷值出现在2011年1月10日，当天最大热负荷为887kW，则地埋管最大换热647.27kW，当天地埋管最大换热量为47.19 W/(桩m)。,九、运行期间机组能耗情况分析,9.5 2011年5月1日2011年9月30日总用电量334.884MWh，夏季耗冷量为1406.512MWh，可以得出系统夏季平均COP为4.2，空调运行时间3366h，则平均冷负荷417.86kW，地埋管换热量517.35kW，平均每根桩每米的地埋管换热量为37.72W/(桩m)。此季最大冷负荷值出现在2011年7月1
25、1日，当天最大冷负荷为1012.58kW，则地埋管最大换热1253.67kW，则当天地埋管换热量为91.4W(桩m)。,九、运行期间机组能耗情况分析,9.6 2011年11月21日2012年2月29日总用电量152.770MWh，冬季耗热量为611.078MWh，可以得出系统冬季平均EER为4.0，空调运行时间1668h，平均热负荷366.35kW，则地埋管换热量274.77kW，平均每根桩每米的地埋管换热量为20.03 W/(桩m)。此季最大热负荷值出现在2012年1月13日，当天热负荷为740.91kW，则地埋管最大换热555.68kW，则当天地埋管换热量为40.51 W/(桩m)。,九、
26、运行期间机组能耗情况分析,通过一年多的运行数据来看，尽管机组运行的稳定性很好，但桩内换热器的吸放热量在大部分时间，特别是在供暖期，还远远没有达到设计值，导致机组长期负荷率偏低，如果能进一步将未安装空调的楼层加入到系统中，可以大幅度提高系统的能效 。,十、运行管理与空调系统经济性分析,十、运行管理与空调系统经济性分析,充分的利用采用蓄冰空调带来的优惠电价措施，提高系统的经济运行效率。 南京市供电局目前的峰谷电价政策,十、运行管理与空调系统经济性分析,目前该广场使用的运行策略为： 上午8:0012:00 下午17：0021:00 电价峰时融冰或者联合制冷 中午12:0017:00 电价平时制冷 晚
27、上21:000:00 电价平时基载制冷或者融冰 夜间0:008:00 电价谷时三工况主机蓄冰,十、运行管理与空调系统经济性分析,一个制冷季蓄冰减少的运行费用,十、运行管理与空调系统经济性分析,在该广场内除了采用本系统的楼层外，在其他几个已经入住的楼层均采用了各种品牌的多联机空调系统，这对同样的建筑面积，同样的使用性质，不同的空调形式来讲提供了一个难得的比较机会。,从2010年11月至2012年2月运行期间，选取安装在15层（办公层）的某知名合资品牌的多联机空调系统为例，把收取的电费按使用空调的时间及建筑面积换算成单位面积及单位时间的电费，同本系统作比较，由于采用了冰蓄冷系统，夏季节省电费34%
28、，冬季节省电费则高达51.4%，整个运行期间省电48.6%，充分验证了采用本系统的节能性。,十、运行管理与空调系统经济性分析,多联机空调在夏季初暑期及末暑期部分负荷时段，由于其开启灵活的特性，与本系统的费用相差不大，但对于满负荷的运行工况来说，本系统还是有较大优势的。尤其是在第一个供暖期，由于天气寒冷，个别多联机甚至出现了除霜导致的机器故障。,十、运行管理与空调系统经济性分析,如果去掉蓄冰系统，全部按普通地源热泵来运行，在过渡季节费用多联机将优于地源热泵系统。,十、运行管理与空调系统经济性分析,建立一套完整的地源热泵与蓄冰节能管理系统是提高管理水平、实现地源热泵系统整体节能的有效途径。 地源热
29、泵系统设备优化运行、系统优化控制、地源侧流速控制等节能潜力较大，是本系统运行管理重点关注的内容。 而在制冷季，合理控制蓄冰、融冰策略也是提高系统能效及降低运行费用的有效手段。,十一、系统存在的问题与解决办法,十一、系统存在的问题与解决办法,1） 目前所采用的用户侧水泵对于系统而言能耗偏大，应采取为水泵变频等方式，提高系统全年能耗比。 2） 由于采用桩埋管，地源测的进出水温远远高于设计值，使得目前机组提供的负荷远远大于实际需要的负荷，前准备把还没用地源热泵系统供能的楼层再加二层，建筑面积扩大到19000m2。尽可能地使得机组运行负荷较高, 真正体现地源热泵的高性能。 3） 如果夜间采用地源水冷却
30、方式制冰，由于地源水温偏低，机组效率提高，而蓄冰槽的管路设计较小，导致8h谷电期间的制冰率只有70%，不能完全将两个冰槽蓄满，目前采用的方式是夜间采用冷却塔冷却制冰，一方面保护土壤的复苏，另一方面也能缩短制冰周期。远期准备采用新增一台蓄冰槽并配套修改管路及设备。 4） 提高用户的行为节能意识，加强系统节能的运行管理，进一步完善和修改节能自控系统。,十二、结束语,十二、结束语,桩埋管作为地源热泵一种较新的埋管形式的应用，可以有效地解决其他埋管形式在应用中的瓶颈特别适用与长江三角洲地区。 而该工程的蓄冰空调系统设计，充分利用了峰谷电价差，降低了空调系统的运行成本，取得了较好的经济效益及社会效益，是空调设计与能源的合理利用、降低空调系统能耗、减少运行成本的的一次有效的实践。 地源热泵联合冰蓄冷空调系统的运行是经济的,与目前办公楼普遍采用的多联机空调系统相比，不仅运行稳定，而且可使运行费用减少48.6%。具有明显的节能潜力，具有良好的推广及运用前景。,谢 谢！,