WFI地源熱泵寧波韓嶺美術館應用案例解析
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1、工程概況:本項目位于寧波東錢湖畔,總用地面積11370平方米,總建筑面積4175平方米,建筑共四層,其中地下一層,地上三層,建筑總高度17.7米。地下室一層主要為設備用房,包括空調(diào)機房、配電房、消防泵房,1~2層為展覽廳,三層為觀光層。

圖1項目效果圖
美術館由國際建筑大師隈研吾親自設計,是中國第一個自然村美術館,是集文化交流、會展服務及民俗體驗等功能于一體的公共文化活動中心。建筑方案為避免城市化的方盒子,運用幾何手法切割、聚合的獨立屋頂,并采用大面積的落地玻璃代替群墻,遠看就象層疊的山峰,像一座山的自然形體建筑融入周邊環(huán)境(如圖2),項目建成后,又將是一個網(wǎng)紅打卡新地標。

圖2 項目實體圖(施工中)
2、室內(nèi)主要房間設計參數(shù)表及冷熱負荷匯總表
室內(nèi)空調(diào)設計參數(shù)如表1所示,冷熱負荷如表2所示。

3、設計難點分析
該建筑方案運用幾何手法切割、聚合的獨立屋頂,并采用大面積的落地玻璃代替群墻。從藝術效果角度及業(yè)主要求考量,空調(diào)系統(tǒng)的設置即不能影響建筑外立面和屋頂,又必須盡可能貼近自然,融入自然,同時還需兼顧節(jié)能、環(huán)保理念,滿足綠色建筑二星以上標準。同時,建筑上提出立面不得開口或運用百葉的要求,加之還需滿足展廳面積最大化的硬性指標。為此,冷熱源的設置及空調(diào)機組等末端布置與常規(guī)設計存在較大差異,設計難度較大。
4、設計思路
4.1、本著節(jié)能環(huán)保的設計理念,并充分利用場地面積較充裕,且貼鄰東錢湖湖面的自然優(yōu)勢,因地制宜,項目采用豎直埋管+地表水相結(jié)合的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)?! ?/div>
4.2、為了營造展廳良好的參觀氛圍,最大化地擴大展區(qū)面積,決定所有空調(diào)機房均設于地下設備層,利用核心筒區(qū)域敷設垂直送、回風管道,完成展廳空調(diào)系統(tǒng)的布置?! ?/div>
4.3、為確保建筑立面效果,兼顧節(jié)能環(huán)保要求,決定采用地道風系統(tǒng)解決內(nèi)外環(huán)境的換氣需求。該系統(tǒng)利用上層排風,下層進風的雙層地道,既滿足了整個建筑物杜絕百葉及開口的要求,又進一步利用了地道的節(jié)能性,可以有效降低冷熱源及空調(diào)機組的容量。
4.4、考慮到配電房、通訊網(wǎng)絡機房及消控室等功能性用房發(fā)熱量大,需降溫的周期較長,運行時間與大系統(tǒng)不同。因此,利用室外埋管的優(yōu)勢,獨立設計了水(地)源熱泵機組。
5、地源熱泵系統(tǒng)的應用
5.1、冷熱源的選擇
考慮建筑與環(huán)境協(xié)調(diào),空調(diào)冷熱源選擇排除了風冷熱泵機組、變冷媒流量多聯(lián)機組、水冷冷水機組(需設置冷卻塔)等系統(tǒng)形式。考慮冬季湖水溫度較低(低于4℃)和湖底清淤等要求,排除了閉式地表水地源熱泵系統(tǒng)。從考慮節(jié)能、環(huán)保理念,室外場地充裕,最終設計豎直埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng),避免了外置的空調(diào)外機和冷卻塔。
根據(jù)計算冷熱負荷,設置四臺WFI渦旋式水/水熱泵機組,夏季提供7/12℃空調(diào)冷水,冬季提供45/40℃空調(diào)熱水,機組置于地下一層專用冷熱源機房內(nèi)。另地下一層配電房、一層通信網(wǎng)絡機房、安防消防控制室獨立設置水/空氣熱泵機組代替通風降溫,便于獨立運行和避免在屋頂設置風機。

圖3 制冷機房流程圖
5.2、室外埋管設計和地表水輔助散熱
經(jīng)熱響應實驗測得巖土綜合導熱系數(shù)(平均值)為2.23W/(m·k),巖土體初始溫度(平均值)為20.65℃。根據(jù)計算,設計80個地耦孔,有效埋管深度120m。地埋孔間距為4.5×4.5m。豎直地埋管換熱器型式為雙U型 ,管徑為De32,公稱壓力1.60MPa。室外共分為10組環(huán)路,每個環(huán)路連接8個地耦孔,通過集分水器八通連接到機房內(nèi)總分集水器,如圖所示。

圖4 地埋管平面布置圖
5.3、巖土冷熱平衡措施
經(jīng)計算全年累計冷負荷320980kWh,累計熱負荷194461kWh,兩者比值為1.6:1,再考慮熱泵機組的能效后,夏季向土壤的排熱量達到冬季從吸熱量的2.69倍,存在極大不平衡性。

圖5 全年冷熱負荷
為解決巖土冷熱不平衡的問題,設計采用湖水輔助散熱,設置換熱量400kW板式換熱器隔離湖水,保證水質(zhì)。

6、地道新風系統(tǒng)的應用
為了減少對建筑外立面的破壞,新風由設置于場地內(nèi)的地道風溝引入,接入置于地下室的空調(diào)箱,由空調(diào)箱送至各空調(diào)區(qū)域。地道風溝內(nèi)氣溫較為恒定,室外新風與地道環(huán)境充分換熱,可有效減少空調(diào)機組容量,達到節(jié)能的目的。室外新風與地道環(huán)境的換熱情況見圖6、圖7。

經(jīng)模擬計算:夏季工況條件下,地道風系統(tǒng)承擔新風負荷為12.00kW,占新風負荷的比例為9.29%,冬季工況條件下,地道風系統(tǒng)承擔新風負荷為18.23kW,占新風負荷的比例為27.31%,節(jié)能效果明顯。
表5 地道風系統(tǒng)節(jié)能效果分析表

7、系統(tǒng)特點總結(jié)
7.1、采用地源熱泵系統(tǒng),沒有外機布置在屋頂或室外,避免了對建筑立面、屋頂和周圍環(huán)境的影響,使建筑和自然融為一體,同時也符合節(jié)能環(huán)保理念。結(jié)合地表水輔助散熱的系統(tǒng),解決了土壤冷熱不平衡問題。
7.2、水/水式熱泵和水/風式熱泵(配電房、網(wǎng)絡機房等區(qū)域)相結(jié)合,避免過渡季節(jié)采用大機組開啟運行的“大馬拉小車”現(xiàn)象,解決了空調(diào)系統(tǒng)集中和獨立使用問題?!?/div>
7.3、水/水熱泵機組使用側(cè)水泵和地源側(cè)水泵與機組一一對應設置,水/空氣熱泵機組地源側(cè)水泵獨立設置,可以按需啟動水泵,提高空調(diào)系統(tǒng)能效。
7.4、考慮到配電房、通訊網(wǎng)絡機房及消控室等功能性用房發(fā)熱量大,需降溫的周期較長,運行時間與大系統(tǒng)不同。因此,利用室外埋管的優(yōu)勢,獨立設計了水(地)源熱泵機組?!?/div>
7.5、采用地道風系統(tǒng),室外新風與地道環(huán)境(溝壁)充分換熱,有效降低空調(diào)機組容量,達到更大的節(jié)能目的。
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