华北地区

山西某医院地源热泵系统设计与实践

工程概况

该项目工程为某医院办公楼,位于山西省太原市。1栋门诊楼,高度为40.8 m, 楼层数为10层;1栋研究楼,高度为83.6 m, 楼层数为26层,两栋楼总建筑面积约为27 551 m2,带地下停车场,外加1栋3层的模具间。经地质勘探,地下120 m内无岩石,无其他建筑,土壤条件较好,符合地源热泵打孔条件,决定采用地源热泵空调系统解决该医院的夏季制冷冬季采暖问题。

 

依据的技术标准

方案设计依据的技术标准有:GB 50019—2015《采暖通风与空气调节设计规范》、GB 50016—2014《建筑设计防火规范》、GB 50243—2016《通风与空调工程施工质量验收规范》和2009JSCS-4《全国民用建筑工程设计技术措施-暖通空调·动力》。


供热供冷设计参数

参照当地气象统计资料,供热供冷计算参数见表1。


山西某医院地源热泵系统设计与实践-地大热能 

设备选型及方案设计

根据建筑冷热量的需求,考虑地埋管所能提供的冷热量,经计算后推荐选择螺杆形式的地源热泵主机作为制冷制热主机,如图2所示。

 

山西某医院地源热泵系统设计与实践-地大热能 

热源泵的工作原理为:在蒸发器和冷凝器两侧安装有8个转换阀门,通过转换阀门进行夏季和冬季切换。夏季时,用户侧和蒸发器连通,通过蒸发器散热,热量传给冷凝器,冷凝器和地源侧连通,通过冷凝器将热量储存到地源侧;冬季时,地源侧和蒸发器连通,地源侧的热量通过蒸发器散热,传递给冷凝器,冷凝器和用户侧连通,通过冷凝器将热量供给用户侧。蒸发器和冷凝器中流动的是经过软化处理的自来水,整个过程以水为媒介,与土壤进行热量交换。

 

地源热泵技术已使用5年。总体运行平稳,符合设计要求。夏季室内温度可达到22~25 ℃;冬季室内温度可达到22~26 ℃,全年满足温、湿度要求。由于机组及系统可以实现自动化控制,且不受外管网的影响,可自主决定供热制冷的时间。


与传统空调相比较,其费用优势如下:

(1)夏季所需总制冷量为1 371kW。根据空调制冷量标准计算,1P空调最大制冷量为2.5 kW,且1P功率为0.735 kW,空调的总输入功率为:1 371×0.735/2.5=388 kW,使用效率为60%,则每月总用电量为:388×24×30×60%=167 616 kW·h。使用地源热泵夏季的耗电量每月约为70 000 kW·h, 低于空调制冷用电量。


(2)冬季所需总制热量为1 790kW。1P空调最大制热量为最大制冷量的1.2倍,空调的总输入功率为:1790×0.735/2 500×1.2=438 kW,使用效率为60%,则每月的总用电量为:438×24×30×60%=189 216 kW·h。使用地源热泵的冬季耗电量每月约为80 000 kW·h, 低于空调制热用电量。


通过对比可以看出,地源热泵是一种低能耗、高效率的空调系统,且不需要室外压缩机或冷却水塔,对建筑外观不会有影响;地源热泵需要的制冷剂比空调机组少50%,CO2排放量低,对环境的影响较低;地源热泵系统可靠性强,维护费用较低,以该医院地源热泵系统运行为例,其每年的维护费用约为100 000元,仅为同规格传统空调系统的1/3。


结语

地源热是低污染和绿色环保可再生能源之一,其设计灵活,可用于新建筑空调系统,也可以用于旧建筑改造,可以单一利用地源热,也可以与其他工业余热结合,或与太阳能系统结合,在我国实现“碳达峰、碳中和”的征途上地源热泵必将发挥更大的作用。