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地源热泵设计及其对周边植物影响的案例研究

时间:2019-06-04

引言


“低碳、绿色、环保”理念日渐深入人心,人们在选择空调系统时,更加倾向于使用对环境负面影响较低的系统。地源热泵可利用地下水、地表水、污水、海水以及地下岩土体中的低温能源,要比常规中央空调机组节能30~50%。


伴随着城市建设的快速发展,园林建设也在大规模铺开,作为其中重要组成部分的园林建筑,既要满足建筑的使用功能要求,又要与园林环境密切结合,与自然融为一体。将园林建筑与地源热泵技术有效的结合起来,不光会出现早春现象还可以延长花期,并且为耐寒性差的植物提供保护。


1、项目案例


1.1项目概况


植物园办公楼位于济南植物园新址,是一栋综合办公建筑,地上两层,建筑面积1289m2,主要功能为办公、会议等。采用地源热泵空调系统进行夏季制冷冬季供暖。地源热泵空调冷热源的设计分为室内热泵机房和地下换热器两部分。


1.2空调系统负荷计算


在设备选型以及地源热泵系统设计之前,必须对建筑的冷、热负荷进行精确的计算。本项目使用DeST模拟软件进行全年冷、热负荷的逐时模拟。


1.2.1室外设计参数


室外设计参数采用由气象模拟软件Medpha根据当地20年的实测气象数据模拟生成的典型气象年气象参数。


1.2.2室内设计参数


夏季:温度为26±2℃,相对湿度为55%±10%,风速≯0.25m/s;

冬季:温度为20±2℃,相对湿度为50%±10%,风速≯0.25m/s。


1.2.3建筑物冷热负荷以及全年耗能量计算


建立建筑模型后,在模型中设定计算参数,如地理位置、围护结构参数、室内人员、灯光、设备热扰参数、房间功能以及室内设计参数等,进行全年逐时负荷模拟。本项目为办公建筑,空调系统每天运行8小时,全年运行200天(夏季90天,冬季110天)。经过模拟计算得到建筑冷、热负荷峰值(见表1)以及建筑逐月负荷曲线(见图1)。

地源热泵设计及其对周边植物影响的案例研究

经过计算,累计制冷量为119.46MWh,累计制热量为185.47MWh。计算结果表明,冬季峰值负荷比夏季峰值负荷低,冬季累计负荷也低于夏季累计负荷。因此,综合建筑的冷、热负荷特性,为了保证地源热泵机组能够在大部分时间内处于效率较高的运行状态,本工程选择1台热泵机组,制冷量125Kw,输入功率16Kw;制热量126Kw,输入功率24Kw。

地源热泵设计及其对周边植物影响的案例研究

在地源热泵系统中,实际地埋管换热器的散热与取热与建筑物的冷、热负荷并不直接相等,它还与采用的热泵机组的能效比有关。关系如下:地埋管换热器的取热量:


Q取热=Qheat-Pheat=Qheat(1-1/COPheat


地埋管换热器的散热量


Q散热=Qcool–±Pcool=Qcool(1–±1/COPcool)

式中:Qheat、Qcool—分别为建筑物的累计热负荷、累计冷负荷;


P—系统的累积耗电量,此处近似认为等于热泵机组的功率与运行时间的积;


Q取热、Q散热—分别为地埋管侧的取热量、散热量。


根据相关节能设计要求地源热泵系统性能参数(冬季COP3.78,夏季COP5.34),则有:冬季从土壤取热量为136.41MWh,夏季向土壤散热量为141.86MWh,即冷、热量比为1.04:1,不平衡率为3.8%。从上述结果中可以看出,地埋管的全年散热量大于年累计取热量,针对这一情况,可以适当延长冬季采暖时间或者增加采暖负荷的方式来平衡土壤的取、放热量,同时由于土壤散热量和取热量的不平衡,还会出现早春现象等。因此,地埋管系统承担建筑物所需的全部冷负荷,运行一个周期后土壤的冷热负荷不平衡率较低,满足地源热泵工程地下换热器不平衡率不大于±20%的要求。


1.3埋地换热器设计


1.3.1布管形式的确定


根据地质勘察结果,该地区0-0.7m为杂填土;0.7-5.9为粉质粘土层,黄褐色,偶见姜石。5.9-8.5m粘土棕黄色、硬塑、局部坚硬含少量氧化铁,20m以下基本都是采矿的采空区不能采用垂直埋管。本项目位于植物园内有充足的埋管区域,建筑三面地势平缓,多为植被、杂树,水平埋管敷设后再做绿化草坪及景观。


1.3.2埋管管材及管径的确定


目前实际工程中广泛采用的是高密度聚乙烯管材,管径(内径)通常采用20~40mm。管径的选择应兼顾换热效果、压力损失及埋管内循环流量的影响。即一方面管中流体的流速应足够大,以在管中产生湍流利于传热,另一方面,该流速又不应过大,使循环泵的功耗保持在合理的范围内。本设计采用的是DN32型高密度聚乙烯管(HDPE),管内设计流速为0.6m/s。


1.3.3埋管管长及间距的确定


在设计中,水平地埋管主要是确定管沟数目及管间距,可以利用管材的“换热能力”来估算埋管管长。根据经验数据可知,水平埋管的单位管材“换热能力”在20~40W/m左右;设计时可取换热能力的下限值,单沟单位管长埋管总长度计算公式如下:L=Q1×1000/20


式中:L—埋管总长;m

Q1—冬季从土壤取出的热量,Kw

因此,根据上式计算本工程水平埋管的总长度为5500m。水平埋管一般的设计深度为0.5m到2.5m之间。系统用于采暖,埋管深度超过1.5m,蓄热就慢,而小于0.8m,盘管就会明显受大气温度的影响甚至冻结。综合考虑埋管换热效果以及工程造价,建议本工程管沟间距1.5m,埋管深度1.5m。


1.4机房及末端设计


机房设在办公楼一层,热泵机组、循环水泵等设备均设置在机房内,便于统一管理。本项目采用水源热泵机组,机组的制冷、制热模式采用氟侧电动四通换向阀控制,简化机房内的管道系统较为简单。循环水泵分为地源侧和空调侧水泵,均为一用一备,同时设置了定压补水装置。室外地埋管同程布置,地埋管环路两端分别与供、回水环路集管相连通,各环路在机房内均设有压差流量平衡阀及调节阀,以保证各分支环路的流量平衡及调节。


空调末端采用风机盘管送风,建筑物内所有房间均采用散流器下送风,单层百叶下回风的送回风形式,使室内气流组织达到最佳。


1.6使用效果及节能分析


本工程已经投入使用并且达到了设计要求,取得了较理想的使用效果。冬季地源侧的出水温度稳定在7~9℃,热泵机组的能效比达到3.5以上。与传统的空气源热泵空调系统相比不存在化霜等问题,冬季供热效率要高出20%左右,地源热泵系统节能环保、无污染物排放,可再生能源的利用率在60%左右。夏季地源侧进出水温度在28~33℃,与常规空调冷水机组冷却水进出水温度32~37℃相比,在满负荷运行时,机组耗能约减少10%。

地源热泵设计及其对周边植物影响的案例研究

2、对周边植物影响


2.1埋管区域及埋管区域内植物种植情况

地源热泵设计及其对周边植物影响的案例研究

根部是植物主要构成部分,所处环境的好坏直接决定植物的长势及成活率。本办公楼外绿化用地面积7200㎡,主要以停车场、绿化及道路为主,其中绿化面积约4688㎡。通过前期设计,观测地块地下1.5m处已布设水平地埋管,埋管区域如图2所示,对地块内绿化用地形成全覆盖(埋管区域内的植物种植情况如图3所示),为后期观测植物生长习性提供了良好的前提基础。

地源热泵设计及其对周边植物影响的案例研究

地源热泵设计及其对周边植物影响的案例研究

2.2植物生长习性分析


为了了解地源热泵对植物生长造成的影响,我们设置了三组观察实验,分别通过观察开花灌木的开花日期、落叶乔木落叶日期、特定植物耐寒性三个方面,分别验证地源热泵对植物开花时间、绿叶天数、耐寒性产生的积极影响。


实验前提条件设置:


1)统一地块,确保微环境相同或相近;

2)同种苗木苗源地、规格、长势、健康状况相同;

3)同一养护级别,统一管理。在满足上述三个条件的前提下,观察应用地源热泵与未应用地源热泵区域内植物的生长表现并做好观察记录。


2.2.1开花植物开花日期实验


实验以2012、2013、2014年作为观察年,分别选取了腊梅、美人梅、白玉兰、垂丝海棠、连翘、迎春、榆叶梅、红叶碧桃等早春或初春开花的植物,实验结果相对明显,具体开花日期如下表

2。通过三年的观察,剔除年度温度变化、植物习性不同等因素的影响,应用地源热泵地块的植物开花日期明显早于未应用地块4-15天。


2.2.2落叶乔木落叶日期实验


以2012年作为观察年度,分别选取了国槐、黄山栾、紫叶李、白玉兰、垂丝海棠作为观察对象,落叶乔木落叶日期如表3,通过数据对比发现:应用地源热泵地块的落叶植物落叶时间相对于未应用地块的落叶时间体现出了明显的滞后现象,有效的延长落叶树种绿叶天数。


2.2.3耐寒植物耐寒性实验


济南属于暖温带半湿润大陆性季风气候,冬季长达136~157天,近年来随着园林养护技术的提高,大量耐寒性差的植物也在济南落地生根,为城市的园林绿化做出了重要贡献。实验中选取了大叶女贞、白玉兰、红叶石楠、海桐球等冬季需进行保温养护的植物,以2012、2013年为例,通过观测成活率的高低(观测数据见表4),客观的反应地源热泵对耐寒植物耐寒性产生的影响。

地源热泵设计及其对周边植物影响的案例研究

在满足实验前提条件下,通过实验数据对比发现,应用地源热泵地块植物成活率远远高出未应用地块成活率,地源热泵提高地温的显著效果在本次试验中表现的尤为突出。


3、小结


1)济南园林建设中对地源热泵系统的应用还处于起步阶段,设计过程中还是要因时制宜,因地制宜,因建筑功能使用方式不同进行有针对性地优化设计。注重突出自身特点,结合自身发展水平,处理好资源与能源、生态与环境以及人与自然和谐发展的问题。


2)园林建筑有大面积的绿植区域,为地源热泵系统的应用提供了先天的条件;地源热泵空调系统的运行费用低,约是普通中央空调的40%,本工程为类似园林建筑的空调系统设计和水平埋管地源热泵系统的应用积累了宝贵的实践经验。


3)地源热泵系统导致地温提升对植物生长表现在以下三方面:


①提升地温对早春植物返春起到了良好的促进作用,有效的提前了植物的开花时间,对小范围的景观营造起到了积极作用;

②有效的延长了落叶植物的绿叶天数,提高了植物的观赏度,提升整个地块的绿化效果;

③对抗寒性差的植物起到了良好的保护作用,提升了植物的成活率,避免经济损失的同时提高了整体的景观效果。