地源热泵在上海闵行区档案馆的设计应用
2009年08月14 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网
摘要：由于档案保存的特殊性，需要全年恒温恒湿的环境，能耗很高。地源热泵系统采用土壤作为冷热源，是节约能源的有效手段。采用地源热泵系统能有效符合节能型档案馆建设的需要。而针对上海地区地源热泵系统冬夏冷热负荷不平衡问题，本工程采用了热回收技术予以解决。经济性分析表明，地源热泵系统与冷水机组加燃气锅炉系统相比，年运行费用降低25%；与风冷热泵系统相比，年运行费用降低33%。
1. 前言
我国现有城乡建筑面积400多亿m2，95%都是高耗能建筑，建筑能耗已占社会终端能耗的28%[1]。在这些高能耗建筑中，公共建筑能耗一般较居住建筑高的很多，30%的公共建筑能耗占了70%。而公共建筑中的政府办公建筑能耗又占了很大一部分，国家有关管理部门对2002年我国政府机构能耗调查数据显示：政府部门办公楼每年所消耗能量相当于全国八亿农民全年全部的能耗，人均能耗和单位建筑面积能耗远远超过全国城市居民的平均水平，能源费用超过800亿元[2]。档案库房属于政府办公楼，同时对室内环境的要求比其他办公楼要更高，根据我国国家档案局2000年颁布的《档案馆建筑设计规范》(JGJ25-2000)，档案库房的温湿度要求及其波动幅度要求为：干球温度为14~24℃，相对湿度为45%~60%，在选定温、湿度后，每昼夜波动幅度要求温度不得大于±2℃、相对湿度不得大于±5%。因此，档案库房的空调能耗很高，建筑节能的潜力很大，采用可再生能源为建筑物供能既节能又环保，是一种有效解决建筑能耗过大的方法。 土壤源热泵是一种有效的能源利用的形式，它是利用土壤作为冷热源，通过换热介质，夏季向土壤散热，冬季从土壤吸热，再通过热泵机组向建筑制冷和供热。土壤源热泵是一种节能以及环保的能源利用形式。它在欧美已有数十年的历史，近年来在中国受到广泛关注，并已开始得到应用[3]。2005年的数据表明，地源热泵系统已经拥有最高的能源利用以及装机容量，装机容量为15348MW，能源利用为87503TJ/year。而这些装机以及能源利用几乎都在北美以及欧洲，从2000年的26个国家发展到了现在的33个国家[4]。 随着社会的发展，个人档案的保存由原来的纸质档案保存越来越多的变为了电子档案保存，但纸质档案由于有着唯一真实的原始性、无法替代的凭证性、内容材料的隐私性、持久稳定的安全性和提取利用的直接性的特点[5]，依然有着重要的作用，因此对于纸质档案的保存也显得尤为重要。本文介绍的地源热泵工程是国内第一项档案库房工程采用地源热泵系统，在国际上的档案库房工程，也基本没有采用地源热泵系统。 2. 工程概况 上海市闵行档案保管中心是上海市闵行区重要档案的保管基地，主要保存属于闵行区档案馆依法进馆内各单位形成的永久和长期的档案和资料。其主要功能是收集、保护、整理、编研和档案信息数字化处理，并且要突出科技含量，安全系数和文化品位，与闵行区经济和社会发展相适应。 闵行区档案保管中心用地位于上海市闵行区颛桥镇，总建筑面积8000m2，由一区办公用房2000 m2，二区档案库房用房6000 m2，地下一层，地上四层组成。 3. 系统设计 3.1设计要求 档案库房空气质量的好坏直接影响档案保存寿命的长短，事实证明，不适宜的大气环境比其它任何单一因素对文件的破坏都要严重。因为如果档案保存在比较干燥的大气环境下，在存取档案时，档案极易破损;如果档案保存在比较潮湿的大气环境下，就会加速档案材质的化学反应，从而使霉菌生长繁殖，产生各种有害气体，周而复始就会造成档案加速损坏，人体也会受到各种污染物的危害。因此恒温恒湿、净化设计是档案库房空调设计的基本要求。 对于办公用房，采用普通中央空调风机盘管系统。系统设计冷、热负荷见表1。因为存在冷热负荷的不平衡，所以本系统采用热回收技术，将夏季排往地下的一部分热量回收到恒温恒湿机组中用于机组的加热，取代了原来的电加热，根据夏季空气处理过程的计算可以得出总的再热量为495kW。 表1 系统设计负荷| 类型 | 夏季 | 冬季 | |
| 冷负荷（kW） | 再热量（kW） | 热负荷（kW） | |
| 普通中央空调(办公用房) | 240 | 199．5 | |
| 恒温恒湿空调(档案库房) | 760 | 495 | 500 |
3.2地埋管设计 根据现场土壤测试得出的土壤数据，可以计算出钻孔每米换热量为47.8W/m，同时还在现场进行了实验测试，与计算结果吻合。在实验结果与现场实际条件的基础上，本系统地埋管部分采用单U型管，U型管管径DN25，为加强型PE管，设计打孔深度80m，打孔直径160mm。所需要的打井数为280口井。同时，根据现场土壤测试的数据还通过专门的设计软件进行计算，也得出所需的打井数。 上海地区地层20m以下土壤温度长年基本保持在18℃左右，为了保证换热正常进行，地埋管换热器夏季进出水温度设计为25/20℃，冬季进出口水温设计为7/12℃。管路采用同程设计，保证各换热器阻力一致，换热均匀。280口井分为10个区，每个区又分为4个小区，每个小区有7口井，地埋管分布示意图见图1，图中只显示出六区分为4个小区，实际情况中其他九个区的情况和六区的相同。这样在负荷较低的时间(如春秋季)，可以只开启5个大区的地埋管进行换热，这样可以防止土壤热量堆积。 3.3热泵机组 本工程采用了两台特灵RTHDB2D2C2型热泵机组，该机组的基本参数见表2。 表2 热泵机组参数
| 制冷量(kW) | 蒸发侧温度(℃) | 热回收热量(kW) | 冷凝侧温度(℃) | 能效比 |
| 543 | 7～12 | 580 | 45～40 | 4.14 |
3.4恒温恒湿机组
本工程采用申菱牌GHL立式恒温恒湿机组，机组的工作原理图见图3。 机组中的冷盘管由热泵机组提供7～12℃冷水，加热盘管就是使用热回收热量的设备，由热泵机组提供40～45℃的热水。恒温恒湿机组中用热水盘管代替了原来的电加热，这样不仅节约了能源，而且在夏季可以将本来要排入地下的热量使用起来，使得夏季排入地下的热量变少。 上海地区的夏季热负荷要高于冬季冷负荷，这样夏季排入地下的热量要大于冬季从土壤中取出的热量，长年累积就可能导致土壤温度升高，采用热回收技术可以有效的缓解这个问题。 1. 经济性分析 将地源热泵系统与冷水机组加燃气锅炉系统以及风冷热泵系统进行经济性分析。由于三个系统末端都需要恒温恒湿机组，这里只考虑冷热源以及机组部分的经济性。由于档案系统需要全年保持恒温恒湿，因此与其他建筑物不同，热泵机组、冷水机组以及锅炉或风冷机组在过渡季节也需要部分开启，这里将一年分为制冷季120天，供暖季95天，春秋过渡季各75天。在上海，天然气价格2.10元/立方米、电价格0.61元/度。 4.1地源热泵系统 地埋管部分初投资为108万元，地源热泵螺杆机组初投资为104万元，地源侧循环水泵初投资为1.8万元。因此地源热泵系统初投资为213.8万元。再考虑运行费用，过渡季时只开一台热泵机组和一台循环水泵，机组输出功率为110kW，水泵功率为11kW。因此年运行费用为102.7万元。 4.2水冷机组加燃气锅炉系统 这里与地源热泵系统对比的设备只有制冷机组、冷却塔以及燃气锅炉。制冷机组也选用特灵产品，制冷量为600kW，输入功率为151kW，每台42万元。冷却塔两台，电机功率为3.0kW，每台2.2万元。根据热负荷选择燃气锅炉如表3。 表3 锅炉参数
| 供热量(kcal/h) | 耗气量(Nm3/h) | 台数 | 备注 |
| 300000 150000 | 35 18.2 | 1 2 | 其中一台同时供生活热水 |
| 比较 | 地源热泵 | 冷水机组+燃气锅炉 | 风冷热泵 |
| 初投资(万元) | 213.8 | 109.7 | 140 |
| 年运行费用(万元) | 102.7 | 136.8 | 153.7 |
5. 结语
由于档案保存的特殊性，需要全年保持恒温恒湿，因此需要空调系统全年运行，这样如果采用常规的空调采暖系统，会造成很大的能源浪费。采用地源热泵系统用于档案库房，全年采用土壤作为冷热源，节约了能源，同时在过渡季节或负荷较小的时间，调节也比较方便。同时本工程采用的系统可以全年提供生活热水，档案库房与办公区只需要用这一个系统就可以满足。所以，对于档案系统，采用地源热泵系统是一个很好的选择。
致谢：
本文工作受到上海市科委科研计划项目“档案库房地源热泵空调系统以及耦合除湿系统的研究”(07DZ12021)的资助。
参考文献
[1] 王银喜,王纳新.浅谈建筑节能.山西建筑,2007,33(30):252.
[2] 潘文玉,高阳.浅谈办公建筑的节能改造.建筑安全,2007,7:59~61.
[3] 朱汉宝,周亚素,撒世忠.U型管埋地换热器周围土壤传热性能实验研究.流体机械,2007,35(8):51~56.
[4] Ebru Kavak Akpinar, Arif Hepbasli. A comparative study on exergetic assessment of two ground-source (geothermal) heat pump systems for residential applications. Building and Environment,2007,42:2004~2013.
[5] 孙巍,孙丹红.浅谈纸质档案的重要性.科技咨询导报,2007,11:187.
