上海某高級別墅土壤源熱泵節能效果分析

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    摘要：本文介紹了上海某高級別墅土壤熱源熱泵系統設計具體情況。采用BIN法分別計算別墅全年動態負荷分布及土壤熱源熱泵系統全年運行能耗。以風冷熱泵系統為參考，對土壤熱源熱泵系統的節能效果做出綜合評價。

    關鍵詞：高級別墅 土壤熱源熱泵系統 風冷熱泵系統 節能效果
     

    1 引言

    隨著人民生活水平的提高和國民經濟的高速增長，人們對居住環境舒適度和能耗要求越來越高。而如今自然資源的過度耗費，自然環境的嚴重污染，迫使人類不得不對自己所走過的道路進行反思。1992年聯合國環境與發展大會制定并通過了《21世紀議程》，明確指出：節能、環保是人類可持續發展的兩大主題。土壤熱源熱泵系統（GSHP）以其節能、環保和可持續發展的突出優點，成為空調供暖工程優先選擇的方案之一。

    2 GSHP系統的基本原理

    它以大地作為熱源（熱匯），冬季將大地中的低位熱能取出提高，對建筑供暖，同時儲存冷量以備夏天使用；夏季將建筑內的熱量轉移到地下對建筑進行降溫，同時蓄存熱量以備冬天使用。夏熱冬冷的長江三角洲地區制冷與供暖的天數大致相當，冷熱負荷基本相同。利用該技術可以充分發揮土壤的蓄熱作用，達到環保節能的雙重功效。

    3 某高級別墅GSHP系統設計

    3.1建筑概況

    該高級別墅群依托佘山國家旅游度假區，山體、森林、水系和綠化面積高達62%，自然資源優勢突出。以某幢兩層獨立式別墅為例，建筑面積為950m2，功能分區明確，房間眾多包括臥房、客房、起居室、餐廳、門廳等，地下一層設有娛樂、酒吧間、健身房、酒窖等。

    3.2土壤地質狀況

    地質鉆探表明：佘山地區的淺層土壤是以粘土、砂粉土為主的軟土，土壤比較潮濕，地下水位較高，較適合GSHP系統的應用。

    3.3室外設計參數

    夏季：室外干球溫度為34℃，濕球溫度為28.2℃，日平均溫度為30.4℃，大氣壓力為100530Pa，風速為3.2m/s。

    冬季：室外空調溫度為-4℃，相對濕度為75％，大氣壓力102510Pa，風速為3.1m/s。
     

    表1室內設計參數

房間 用途 夏季設計溫度℃ 冬季設計溫度℃ 夏季相對濕度％ 冬季相對濕度％ 人員密度人/m2 照明W/m2 新風量m3/h p 起居室 高級起居 26 18 60 40 0.15 20 30 門廳 門廳 26 18 60 40 0.12 20 30 餐廳 餐廳 26 18 60 40 0.12 20 30 臥室 高級臥室 26 18 60 40 0.10 20 25 娛樂 酒吧 26 18 60 40 0.23 20 30 女傭 一般臥室 26 18 60 40 0.12 20 25

    表2房間負荷及機組主要參數表

房間 冷負荷kW 熱負荷kW 機組型號 冷量kW 耗功kW 熱量kW 耗功kW 尺寸 1F-1 起居 13.01 8.69 GEHA042 12.1 3.71 12.6 3.43 1472*638*533 1F-2 餐廳 7.95 5.77 GEHA024 7.2 2.03 7.5 1.91 1168*584*432 1F-3 客房 10.69 6.29 GEHA030 9.1 2.52 9.5 2.37 1270*635*432 2F-1 主臥 7.51 4.77 GEHA024 7.2 2.03 7.5 1.91 1168*584*432 2F-2 其他 13.68 9.68 GEHA042 12.1 3.71 12.6 3.43 1472*638*533 -1F 地下 11.02 6.25 GEHA042 12.71 3.71 12.6 3.43 1472*638*533

    注：斜體為制熱工況。

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表3埋地換熱器基本設計參數

單位換熱量W/m 換熱量kW 管長m 孔數 孔深m 計算流速m/s 孔間距m 鉆孔直徑mm 水管凈間距mm 管徑mm I II I II I II I II I II 50 34.85 35.26 697 705 6 6 58.1 58.8 0.73 0.82 4.5 110 60 25

表4上海地區2℃間隔、24小時運行的BIN參數

BIN -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 小時數（h）
濕球溫度（℃） 12 76 168 351 524 486 440 498 521 478 428 -6.3 -5.1 -3.3 -1.6 0.1 1.8 3.8 6.2 8.2 10.0 11.5 BIN 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 小時數（h）
濕球溫度（℃） 499 589 613 616 537 718 587 36 192 77 14 13.6 15.5 17.6 19 21.4 23.8 25.0 25.8 26.4 27.0 27.4

    鑒于別墅內房間眾多，功能分區明確，同時使用系數低。空調系統采用分區獨立設計，不同房間負荷及機組配置見表2。外墻開設新風口，直接引入主機回風靜壓箱，計算不考慮風系統引起的冷量損失。

    3.5埋地換熱器設計

    根據空調負荷分配，設置兩組地下埋管系統，I號系統負責別墅地上一層需求，II號系統負擔地下一層和地上二層空調需要。環路采用單U型豎埋管設計，同程式布置以保持環路間水力平衡。根據系統設計流量、阻力計算并考慮附加修正，I、II號系統各配置PTB40-125A循環水泵一臺。換熱器主要設計參數見表3。

    4GSHP系統節能效果分析

    研究人員在分析空調系統能耗時，多采用負荷頻率表法和滿負荷當量法，這種方法雖然直觀簡便，但未考慮建筑的個體特性，誤差不容忽視。本文選擇BIN法進行別墅全年動態負荷及空調系統全年能耗計算。

    4.1BIN參數

    根據1984年的氣象觀測日報表，上海氣象局用拉格朗日插值法，生成了全年8784小時（閏年）的逐時干球溫度、相對濕度、風向、風速、氣壓、總云量、法向直射日射、水平面的散射日射等數據。基于上述數據，上海地區2℃間隔、24小時運行的BIN參數見表4，其中四個與建筑能耗有關的代表溫度見表5。

    表5上海地區BIN參數關鍵溫度

高峰冷負荷溫度℃ 中間冷負荷溫度℃ 中間熱負荷溫度℃ 高峰熱負荷溫度℃ 36 24 8 -6

    4.2別墅全年動態負荷

    別墅全年動態負荷見下圖。

別墅全年動態負荷

    4.3GSHP系統全年運行能耗

    土壤熱源熱泵系統能耗主要包括水源熱泵機組的功耗、埋地換熱器側循環水泵功耗、室內側冷凍水循環水泵功耗、空調末端設備功耗。節能效果評價選擇風冷熱泵（ASHP）為參考，以冷熱源側運行能耗為主，不考慮室內側循環水泵、末端設備功耗，見圖4、5、6。

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