CBD楚世家地源热泵集中供冷供热系统设计

CBD楚世家地源热泵集中供冷供热系统设计

付云庭 

武汉金茂智慧能源科技有限公司   430000

摘要：重点介绍CBD楚世家地源热泵集中供冷供热项目的系统设计。该工程根据使用功能特点将站房分为1#冷热源机房和2#冷热源机房两个机房，分别为住宅区及公建区提供冷热源，提高了设备使用效率，经系统测评，该系统相对传统的供冷供热系统，全年节省运行费用329万元，具有非常良好的经济性。

关键词：地源热泵、土壤换热器、换热测试、经济性、安全性

一、工程概况

项目建设地点王家墩 CBD 西南，建设大道营房村至双墩北侧，本项目的办公、酒店、商业街和 3栋高层住宅中采用地源热泵系统，满足其制冷、采暖 及生活热水需求。其中办公楼建筑面积约 14807 ㎡，酒店建筑面积约 32062 ㎡，商业街建筑面积约 9125㎡。

项目设置本工程为1#冷热源机房和2#冷热源机房两个机房，分别为住宅区及公建区提供冷热源。住宅区供冷供热面积44336㎡，公建区供冷供热面积55994㎡。项目从2013年开始建设，2015年建设完成，2016年投入使用。

二、空调冷热负荷

冷热负荷根据规划建筑面积及建筑类型进行估算。按照各地块单体建筑的使用功能分类，设计了住宅、办公、商业、酒店4种典型建筑模型，利用负荷计算及分析软件计算出各典型单体建筑的负荷指标，结合各建筑的同时使用系数，估算出区域冷热负荷。得出1#冷热机房冷负荷为2635kW，热负荷为2060 kW；2#冷热机房冷负荷为5930kW，热负荷为3477kW；设计日逐时冷热负荷及负荷率见图1。

图1 设计日逐时冷热负荷及负荷率

三、系统设计

3.1冷热源设备配置

2#冷热源系统采用1台地源热泵机组、1台带部分热回收地源热泵机组、1台变频水冷离心式冷水机组和1台高温型地源热泵机组，其中地源热泵机组的单机制冷量为1329kW，制热量为990kW；部分热回收地源热泵机组，单机制冷量为970kW,热回收量647KW；变频离心式冷水机组，单机制冷量为2040kW;高温型地源热泵机组制冷量720KW，全热回收量647KW，空调冷冻水供回水温度为7/12℃,空调热水供回水温度为40/45℃。同时提供50/55 ℃卫生热水至热水箱供酒店生活热水。

1#冷热源系统采用1台地源热泵机组、1台带部分热回收地源热泵机组和1台高温型地源热泵机组，其中地源热泵机组的单机制冷量为970kW，制热量为750kW；部分热回收地源热泵机组，单机制冷量为970kW,热回收量647kW，高温型地源热泵机组制冷量720kW，全热回收量647kW，空调冷冻水供回水温度为7/12℃，空调热水供回水温度为40/45℃。同时提供50/55℃卫生热水至热水箱供住宅用生活热水。

图2 冷热源系统原理图

图3 1#冷热源机房平面布置

图4 2#冷热源机房平面布置

3.2空调水系统

（1）、空调水系统按两管制设计，每一栋楼分别按照一个环路设计，住宅区空调水系统分3个环路，公建区空调水系统分3个环路；

（2）、冬季空调热水由地源热泵机组制备，夏季冷冻水由水冷式冷水机组和地源热泵机组联合制备。

3.3地埋管换热现场测试数据计算和测试结果

（1）、岩土综合热物性参数

根据岩土热响应试验过程中连续记录的功率、流量、进出水温度数据，以及岩土初始平均温度、成孔条件等相关参数值，运用规范所述模型，可计算出岩土综合导热系数、容积比热容等热物性参数。如表1所示。

表1测试参数及岩土热物性计算值

（2）、钻孔单位延米(孔深）换热量参考值

在测得的岩土综合导热系数、容积比热容等热物性参数和岩土初始温度基础上，结合回填材料、钻井直径、埋管类型（单/双U)、埋管间距、运行份额、运行工况下地埋管中传热介质设计乎均温度、运行时间等条件,运用规范提供方法，计算得出测试条件下单位孔深换热量，可作设计分析时参考。如表2所示。

表2钻孔单位延米（孔深）换热量

1)所测得的岩土综合导热系数和岩土容积比热容等参数可供地埋管设计计算使用。方法可使用《地源热泵系统工程技术规范》(2009)附录B或相关软件。

2)单位孔深换热量是在测定的热物性参数的基础上计算得出的，受回垓材料、钻并直径、埋管类型〔单/双U)、埋管间距、运行份额运行工况下地埋管中传热介质设计平均温度、运行时间等因素的影响。特别是通过调整优化系统设计运行参数，如埋管间距、运行份额、埋管中传热介质设计平均温度等，可以计算得到相应大小的单位孔深换热量。

3)计算钻孔单位延米（孔深）换热量时所取的设计工况

①一个供热季3个月，一个制冷季4个月，热泵系统每天运行6、8、12、15、18、22、24小时，对应制冷(供热)运行份额分别为:0.25、0.33、0.5、0.625、0.75、0.917、1；

②供热〔制冷〕运行份额是指一个供热季〔制冷季〕中平均每天的运行时间比例。本项目建筑功能为综合体，根据类似项目工程经验，运行份额建议夏季取0.5，冬季取0.43，设计参考换热量可取夏季50Wm，冬45W/m；

③模拟中地埋管钻孔间距取4.5m，制冷工况下地埋管中传热介质设计平均温度取36℃:制热工况下地埋管中传热介质设计平均温度取6℃。

3.4土壤换热器设计

（1）、根据提供的地埋管换热测试报告，DN25双U管每延米深取热量为50W/m，散热量为45W/m；

（2）、换热器设计冬季最大吸热量为3880kW；本工程土壤换热器采用垂直钻孔埋管的方式，采用水为循环介质；

（3）、垂直埋管群井主要布置在地下室，其型式为双U型管设计有效深度为100米，钻孔间距不小于4.2米X4.2米，钻孔直径为150mm；设计总钻孔数定为864孔，井内回填材料的导热系数应不低于钻孔外岩土体的导热系数；

（4）、因土壤换热器地下热阻，运行份额，连续脉冲负荷引起附加热阻、土壤热扩散等因素造成土壤温度变化，本工程选择4个钻孔埋设8个温度探测器实时监测土壤温度变化，以便采取必要措施保证土壤热平衡，每个监测点采用设置在防护套管内的测温线采用Rvvp4*（7*0.25），接至1#冷热源机房；

（5）、地埋管环路两端分别与相对应的供、回水环路的分、集水器相连接，并采用同程式布置，根据场地情况，共分为54对分集水环路，各一级分水器的进水总管上设静态流量平衡阀，保证各环路的流量在任何压差下均保持恒定，确保换热效果，所有一级分水器上同时设冲洗用旁通支管。

地埋管的位置示意图如图4

图5 地埋管的位置示意图

图6 地埋管分集水器安装示意图

图7 地埋管分集水器安装现场照片

四、自控设计

本工程自动控制系统采用直接数字控制系统 由中央电脑及终端设备和传感器执行器组成。在空调控制中心能显示并打印记录空调通风各系统的设备及附件运行状态、各主要运行状态、各主要运行参数，并进行集中监控。

4.1、在冷冻（热）水供回水管总管上装设温度传感器及供水管左右两侧系统和回水总管上装设流量传感器，以测度整个冷冻系统的操作状况及记录冷负荷变化的趋势，从而决定开关制冷机组以配合实际系统的运行要求，以便达至最佳的节能状态，同时又避免长时间使用一台或几台设备所引起的疲劳状态；

4.2、在冷冻（热）水回主管上安装流量控制装置，调节旁通阀的开度，以配合系统负荷变化，同时根据旁通阀的开度来进行加减机的控制（根据压差控制，旁通阀按单台设备流量选型，当旁通阀流量达到设定流量，即此时旁通阀应全开，旁通阀发出减机信号，加机与之相反）。在进行加减机控制时由BMS根据运行情况选择需要运行或者停止的设备。

五、系统测评

项目在2016年投入使用后，于2016年7月和2016年11月由某检测公司分别对夏季、冬季工况进行了系统测评，2016 年7月27日和2016年11月21日测试项目实际夏季检测机组每平米节约功率W2为14.85W/m²，冬季检测机组每平米节约功率W1为24.35W/m²，由于11月份外界气温还不是很低，住宅热负荷需求也较低，实际运行后，住宅的热负荷需求也将大幅度提高，其节约功率值也会高于本次评估值。

夏季工况下，系统整体制冷COP为3.9，测算对比传统供冷方式（EER取2.8）。冬季工况下，系统整体COP为3.7。测算常规能源标准煤替代量为425t，二氧化碳减排量为1046t，二氧化硫减排量为7t，粉尘减排量为4t，相对传统供冷及供热系统，全年节省运行费用329万元。

六、结语

地源热泵系统具备夏季供冷冬季采暖的功能，是一种绿色环保的新型建筑节能技术，在系统设计、运行管理过程中，必须充分考虑系统的自动控制，在保证空调舒适性要求和系统可靠运行的前提下，实现系统经济、节能运行。由于地源热泵重要子系统为地埋管换热系统，在运行过程中需考虑冷热平衡，实现浅层地能的可持续利用，在系统运行过程中要全面分析辅助散热系统的运行方式，而这都需要自控控制系统满足不同运行方式的具体要求。采用集中式供冷供热减少了用户初投入，提高了能源的使用效率，用能客户无需单独建设分体空调或多联机系统，增加更多的建筑使用空间。

该工程根据使用功能将站房分为了住宅机房和公建机房，满足用户使用的同时，也提高设备的使用效率，住宅机房根据节能政策还可以申请居民电价，降低居民的使用成本。项目建成后，获得第八届（2017-2018年度）“广厦奖”产业化技术应用优秀奖，系统运行稳定，为CBD楚世家用户提供了安全可靠，高品质的冷热源。