工業(yè)發(fā)展和勞動(dòng)分工所帶來的工業(yè)設(shè)計(jì)，與其它藝術(shù)、生產(chǎn)活動(dòng)、工藝制作等都有明顯不同，它是各種學(xué)科、技術(shù)和審美觀念的交叉產(chǎn)物。本文是一篇工業(yè)設(shè)計(jì)論文范文，選自期刊《中國工業(yè)年鑒》雜志是由國務(wù)院國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會(huì)主管，國資委研究中心和國家發(fā)改委經(jīng)濟(jì)運(yùn)行局主辦的國家級經(jīng)濟(jì)類專業(yè)期刊，是由 中華人民共和國新聞出版總署、正式批準(zhǔn)公開發(fā)行的優(yōu)秀期刊。
　　摘要：結(jié)合工程實(shí)例介紹了地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了地源熱泵地下土壤換熱器的設(shè)計(jì)，并分析了系統(tǒng)在節(jié)能和環(huán)保方面的優(yōu)勢。

　　關(guān)鍵詞：可再生能源,地源熱泵,土壤熱,響應(yīng)試驗(yàn)

　　0引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國能源需求持續(xù)增長，能源資源和環(huán)境問題日益突出，根據(jù)國務(wù)院常務(wù)會(huì)議討論通過的《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，加快開發(fā)利用可再生能源已成為我國應(yīng)對日益嚴(yán)峻的能源環(huán)境問題的必由之路。當(dāng)前開發(fā)利用可再生能源已成為世界各國保障能源安全、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、應(yīng)對氣候變化的重要措施。地源熱泵系統(tǒng)作為可再生能源應(yīng)用的主要途徑之一，近年來在國內(nèi)得到了日益廣泛的應(yīng)用。

　　1工程概況

　　本項(xiàng)目地塊位于上海，地下一層，地上為五層，一層為健身康體中心，二層為健康教育中心，三層為食堂，四、五層為辦公，建筑高度為23m，總用地面積5693m2，總建筑面積13100m2，其中地下部分建筑面積為3800m2，地上部分建筑面積為9300m2。

　　2空調(diào)冷熱源系統(tǒng)選擇

　　2.1.空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

　　空調(diào)負(fù)荷計(jì)算軟件采用上海華電源信息技術(shù)有限公司的《HDY-SMAD空調(diào)負(fù)荷計(jì)算及分析軟件》，根據(jù)諧波反應(yīng)法（負(fù)荷溫差法）進(jìn)行24小時(shí)逐時(shí)計(jì)算。計(jì)算得夏季空調(diào)峰值冷負(fù)荷為1691kW，冬季峰值負(fù)荷為791kW。

　　空調(diào)冷熱源系統(tǒng)選擇

　　采用風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)是小型公共建筑空調(diào)冷熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的常用形式，但是基于風(fēng)冷熱泵低效率和冬季結(jié)霜等因素，并根據(jù)我國現(xiàn)行提倡的環(huán)保、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想，經(jīng)方案比較，決定空調(diào)系統(tǒng)采用可再生能源地源熱泵+冷水機(jī)組作為空調(diào)冷熱源。冬季依靠地源熱泵供熱，夏季依靠地源熱泵機(jī)組和冷水機(jī)組聯(lián)合供冷。

　　根據(jù)工程特點(diǎn)選用2臺(tái)每臺(tái)制冷量/制熱量為380kW/400kW的地源熱泵機(jī)組和2臺(tái)制冷量為480kW/臺(tái)水冷螺桿式冷水機(jī)組作為空調(diào)冷熱源，空調(diào)冷凍水的供、回水溫度為7/12℃，熱水供、回水溫度為45/40℃。冷水機(jī)組的冷卻水進(jìn)出水溫度為32.5/37℃，地源熱泵主機(jī)地源側(cè)夏季進(jìn)出水溫為31/35℃、冬季進(jìn)出水溫為9/5℃。

　　3地下土壤換熱器設(shè)計(jì)

　　3.1.土壤熱響應(yīng)試驗(yàn)及埋管形式確定

　　目前，要獲得地埋管與土壤間的換熱特性主要有三種途徑：利用簡化模型數(shù)值計(jì)算、利用經(jīng)驗(yàn)估計(jì)和作土壤熱響應(yīng)試驗(yàn)。由于地下情況多變，往往由多個(gè)地層組成，僅按照簡化模型計(jì)算往往誤差過大；經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值在方案分析階段有一定的參考價(jià)值，但不能作為地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)。此外，由于我國的地源熱泵系統(tǒng)起步較晚，大多數(shù)地區(qū)缺少相關(guān)技術(shù)資料，因此有必要進(jìn)行地埋管換熱器的實(shí)地試驗(yàn)研究，以準(zhǔn)確獲得工程基地土壤的取、放熱特性，為地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供可靠保證。

　　本項(xiàng)目熱響應(yīng)測試包括散熱測試和取熱測試兩種，分別模擬夏季的空調(diào)制冷工況和冬季的空調(diào)制熱工況。冬夏季工況均采用恒熱流測試法，連續(xù)運(yùn)行并建立實(shí)時(shí)測試數(shù)據(jù)庫。表1是由東南大學(xué)在工程基地進(jìn)行的土壤熱響應(yīng)測試基本數(shù)據(jù)匯總，測試對象為豎直埋深110m的單U并聯(lián)和雙U并聯(lián)地埋管換熱器。

　　由表1可見，流速為0.6m/s時(shí)，地埋管的換熱能力優(yōu)于流速為0.3m/s時(shí)的換熱能力。雙U并聯(lián)的埋管形式地源井單位井深換熱量明顯高于單U并聯(lián)的地源井。通過土壤熱響應(yīng)測試報(bào)告的數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目地源井換熱能力較好，適宜采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)�？紤]打井面積等因素，埋管形式確定采用雙U并聯(lián)，埋管井深取100m。

　　3.2.土壤熱平衡分析及埋管長度計(jì)算

　　埋管區(qū)域土壤好比一個(gè)巨大的蓄能體，地源熱泵系統(tǒng)夏季將熱量排至其中，冬季從中取出熱量，熱量的轉(zhuǎn)移將引起土壤溫度的變化，從而影響土壤換熱器的換熱量�，F(xiàn)場的熱響應(yīng)試驗(yàn)只是短時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行測定，測得的換熱性能有別于實(shí)際長期運(yùn)行時(shí)的值。

　　因此，有必要對整個(gè)埋管區(qū)域的長時(shí)間運(yùn)行情況進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究，根據(jù)埋管區(qū)域的土壤熱物性等參數(shù)，得出地下土壤溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系、土壤熱積聚情況和土壤達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間等，然后由分析結(jié)果計(jì)算出供冷季和供熱季地源熱泵系統(tǒng)的供冷、供熱能力，確定合理的埋管有效長度，然后確定地源打井?dāng)?shù)量及井間距。

　　根據(jù)本項(xiàng)目地源測試報(bào)告土壤熱物性參數(shù)、埋管形式、埋管深度、空調(diào)負(fù)荷及系統(tǒng)工況等相關(guān)數(shù)據(jù)，采用EED（EarthEnergyDesigner）專業(yè)地源模擬軟件對地源井進(jìn)行25年模擬設(shè)計(jì)計(jì)算，模擬計(jì)算得本項(xiàng)目所需地埋管有效長度約16351m，共需有效井深100m、雙U并聯(lián)埋管形式的地源井164口，井間距為5mX5m；另通過模擬計(jì)算需配置一臺(tái)冷卻能力為96t/h閉式冷卻塔，冷卻塔的進(jìn)、出水溫度分別為37/32.5℃，用于輔助散熱，以保證地源側(cè)熱平衡。25年內(nèi)土壤峰值溫度變化如圖1，土壤溫度25年分布如圖2，從模擬圖可以看出：

　　圖125年內(nèi)土壤峰值溫度變化圖

　　圖225年時(shí)土壤峰值溫度變化圖

　　在保證地源井?dāng)?shù)及配置輔助冷卻塔的情況下，可控制25年土壤年平均溫度波動(dòng)小于1K，逐年土壤的溫度波動(dòng)基本維持不變的狀態(tài)，熱平衡狀況較好。

　　4經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境效益分析

　　為了對冷熱源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境效益進(jìn)行分析，在此，對本項(xiàng)目冷熱源系統(tǒng)同常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)（風(fēng)冷熱泵）進(jìn)行分析比較。表3為分析比較結(jié)果。

　　由表2可知，本項(xiàng)目地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)相比較，每年節(jié)電約22%，空調(diào)運(yùn)行費(fèi)每年節(jié)約19.9萬元，二氧化碳每年減排約110.9噸，節(jié)能環(huán)保效益明顯。

　　5結(jié)論

　　地源熱泵系統(tǒng)利用淺層地?zé)崮苜Y源進(jìn)行供熱與供冷，具有顯著的節(jié)能與環(huán)境效益。但由于地源熱泵系統(tǒng)的特殊性，其設(shè)計(jì)方法是業(yè)內(nèi)人士普遍關(guān)注的問題�；�于本工程的實(shí)際應(yīng)用，總結(jié)了地源熱泵設(shè)計(jì)以下幾點(diǎn)注意點(diǎn)：

　　1)在開始地源井設(shè)計(jì)前，必須對該地塊進(jìn)行土壤熱響應(yīng)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析采用地源空調(diào)系統(tǒng)的可行性。

　　2)必須對系統(tǒng)進(jìn)行方案論證，確定系統(tǒng)合理節(jié)能。

　　3)在設(shè)計(jì)地埋管布置時(shí)則必須結(jié)合冬夏季工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合計(jì)算，并進(jìn)行土壤熱平衡模擬計(jì)算，保證土壤溫度在運(yùn)行25年后溫度變化不超過一定值（建議取1K~2K）。

　　4)結(jié)合土壤熱平衡模擬分析，指導(dǎo)地源熱泵、冷卻塔的運(yùn)行策略。

　　5)為監(jiān)測土壤溫度變化，宜分區(qū)設(shè)置地源監(jiān)測井，并計(jì)量整個(gè)系統(tǒng)對土壤的放熱、取熱量。

　　6)根據(jù)自控系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，調(diào)整地源熱泵、冷卻塔運(yùn)行策略，保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠、節(jié)能。

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