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WFI地源热泵宁波韩岭美术馆应用案例解析
2022
13/04
10:34
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2022年04月13日 10:34:04 · 暖通家
  1、工程概况:本项目位于宁波东钱湖畔,总用地面积11370平方米,总建筑面积4175平方米,建筑共四层,其中地下一层,地上三层,建筑总高度17.7米。地下室一层主要为设备用房,包括空调机房、配电房、消防泵房,1~2层为展览厅,三层为观光层。
图1项目效果图
  
  美术馆由国际建筑大师隈研吾亲自设计,是中国第一个自然村美术馆,是集文化交流、会展服务及民俗体验等功能于一体的公共文化活动中心。建筑方案为避免城市化的方盒子,运用几何手法切割、聚合的独立屋顶,并采用大面积的落地玻璃代替群墙,远看就象层叠的山峰,像一座山的自然形体建筑融入周边环境(如图2),项目建成后,又将是一个网红打卡新地标。
图2 项目实体图(施工中)
  
  2、室内主要房间设计参数表及冷热负荷汇总表  
  室内空调设计参数如表1所示,冷热负荷如表2所示。
  
  3、设计难点分析  
  该建筑方案运用几何手法切割、聚合的独立屋顶,并采用大面积的落地玻璃代替群墙。从艺术效果角度及业主要求考量,空调系统的设置即不能影响建筑外立面和屋顶,又必须尽可能贴近自然,融入自然,同时还需兼顾节能、环保理念,满足绿色建筑二星以上标准。同时,建筑上提出立面不得开口或运用百叶的要求,加之还需满足展厅面积最大化的硬性指标。为此,冷热源的设置及空调机组等末端布置与常规设计存在较大差异,设计难度较大。
  
  4、设计思路  
  4.1、本着节能环保的设计理念,并充分利用场地面积较充裕,且贴邻东钱湖湖面的自然优势,因地制宜,项目采用竖直埋管+地表水相结合的地源热泵空调系统。  
  4.2、为了营造展厅良好的参观氛围,最大化地扩大展区面积,决定所有空调机房均设于地下设备层,利用核心筒区域敷设垂直送、回风管道,完成展厅空调系统的布置。  
  4.3、为确保建筑立面效果,兼顾节能环保要求,决定采用地道风系统解决内外环境的换气需求。该系统利用上层排风,下层进风的双层地道,既满足了整个建筑物杜绝百叶及开口的要求,又进一步利用了地道的节能性,可以有效降低冷热源及空调机组的容量。  
  4.4、考虑到配电房、通讯网络机房及消控室等功能性用房发热量大,需降温的周期较长,运行时间与大系统不同。因此,利用室外埋管的优势,独立设计了水(地)源热泵机组。
  
  5、地源热泵系统的应用  
  5.1、冷热源的选择  
  考虑建筑与环境协调,空调冷热源选择排除了风冷热泵机组、变冷媒流量多联机组、水冷冷水机组(需设置冷却塔)等系统形式。考虑冬季湖水温度较低(低于4℃)和湖底清淤等要求,排除了闭式地表水地源热泵系统。从考虑节能、环保理念,室外场地充裕,最终设计竖直埋管地源热泵空调系统,避免了外置的空调外机和冷却塔。
  
  根据计算冷热负荷,设置四台WFI涡旋式水/水热泵机组,夏季提供7/12℃空调冷水,冬季提供45/40℃空调热水,机组置于地下一层专用冷热源机房内。另地下一层配电房、一层通信网络机房、安防消防控制室独立设置水/空气热泵机组代替通风降温,便于独立运行和避免在屋顶设置风机。
图3 制冷机房流程图
  
  5.2、室外埋管设计和地表水辅助散热 
  经热响应实验测得岩土综合导热系数(平均值)为2.23W/(m·k),岩土体初始温度(平均值)为20.65℃。根据计算,设计80个地耦孔,有效埋管深度120m。地埋孔间距为4.5×4.5m。竖直地埋管换热器型式为双U型 ,管径为De32,公称压力1.60MPa。室外共分为10组环路,每个环路连接8个地耦孔,通过集分水器八通连接到机房内总分集水器,如图所示。
图4 地埋管平面布置图  
  5.3、岩土冷热平衡措施  
  经计算全年累计冷负荷320980kWh,累计热负荷194461kWh,两者比值为1.6:1,再考虑热泵机组的能效后,夏季向土壤的排热量达到冬季从吸热量的2.69倍,存在极大不平衡性。
图5 全年冷热负荷  
  为解决岩土冷热不平衡的问题,设计采用湖水辅助散热,设置换热量400kW板式换热器隔离湖水,保证水质。
  
  6、地道新风系统的应用  
  为了减少对建筑外立面的破坏,新风由设置于场地内的地道风沟引入,接入置于地下室的空调箱,由空调箱送至各空调区域。地道风沟内气温较为恒定,室外新风与地道环境充分换热,可有效减少空调机组容量,达到节能的目的。室外新风与地道环境的换热情况见图6、图7。
  
  经模拟计算:夏季工况条件下,地道风系统承担新风负荷为12.00kW,占新风负荷的比例为9.29%,冬季工况条件下,地道风系统承担新风负荷为18.23kW,占新风负荷的比例为27.31%,节能效果明显。
  
表5 地道风系统节能效果分析表
  
  7、系统特点总结  
  7.1、采用地源热泵系统,没有外机布置在屋顶或室外,避免了对建筑立面、屋顶和周围环境的影响,使建筑和自然融为一体,同时也符合节能环保理念。结合地表水辅助散热的系统,解决了土壤冷热不平衡问题。  
  7.2、水/水式热泵和水/风式热泵(配电房、网络机房等区域)相结合,避免过渡季节采用大机组开启运行的“大马拉小车”现象,解决了空调系统集中和独立使用问题。 
  7.3、水/水热泵机组使用侧水泵和地源侧水泵与机组一一对应设置,水/空气热泵机组地源侧水泵独立设置,可以按需启动水泵,提高空调系统能效。  
  7.4、考虑到配电房、通讯网络机房及消控室等功能性用房发热量大,需降温的周期较长,运行时间与大系统不同。因此,利用室外埋管的优势,独立设计了水(地)源热泵机组。 
  7.5、采用地道风系统,室外新风与地道环境(沟壁)充分换热,有效降低空调机组容量,达到更大的节能目的。
 

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