地源热泵系统设计的实例探讨
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摘要：本文结合实例介绍了空调室内外设计计算参数，并针对空调设计方案，地埋换热器系统设计及系统冷热源方案的选择与分析作出了阐述。
关键词：地源热泵系统；空调设计
中图分类号：N945.23文献标识码： A 文章编号：
1 工程应用实例
1.1 工程概况
表1
该综合服务楼，其主要包括公寓部分和公共部分。总建筑面积：31176m2。地下：3598m2，为车库。地上：27578m2，为公寓楼和公共部分。其中，公寓楼部分：23159m2；公共部分：4419m2。本项目采用地源热泵空调系统，夏季送冷风，冬季送热风，冷热源集中设置。
2.2 空调室内外设计计算参数
2.2.1 空调室外设计参数
（1）空气调节室外计算（干球）温度33.2℃，空气调节室外计算湿球温度26.4℃，空气调节日平均温度28.6℃，室外计算相对湿度最热月平均78%，室外平均风速1.9m/s，大气压力98.86kPa。
（2）空气调节室外计算（干球）温度-12℃，通风室外计算（干球）温度-9℃，最低日平均温度-15.9℃，室外计算相对湿度最冷月平均45%，室外平均风速2.8m/s，大气压力102.04kPa。
2.3 空调设计方案
2.3.1 冷热源选择
本工程共设3台冷水机组（U1～U3），由于项目冷热需求的不平衡性（设计工况下夏季向土壤放热量为冬季从土壤取热量的1.5 倍），因此以冬季制热工况负荷选定2 台土壤源热泵机组（U1、U2），设计工况下单台机组制热量为804kW，供冷量为835kW。土壤源热泵夏季供冷不足部分另设1 台螺杆式冷水机组（U3），采用冷却塔散热，供冷量为835kW。冷水机组具体参数见表2。
表2
2.3.2 中央空调机房设计
热泵机组及配套设备设在一层机房。机房集、分水器各一台，地埋系统集、分水器两台，机房集、分水器主管与机房管道连接，支管与地埋系统集、分水器主管连接，地埋系统集、分水器支管与地埋管系统支管连接。
站房内设置2 台立式管道泵（JB-1、2）作为土壤源侧水循环的循环水泵，设置3 台立式管道泵（B-1、2、3）作为用户侧循环水泵，其中夏季3台工作，冬季2 台工作1 台备用。设置1 台立式管道泵（b-1）作为U-3 机组冷却水循环泵。
设置1套全自动软化水设备（RS-1）、1个软水储水箱及2套全自动定压补水机组（DY-1、2）作为用户侧及土壤热交换器侧两个系统的定压。空调冷热源水路系统原理图见图1。
图1 空调冷热源水路系统原理图
2.3.3 空调水系统与末端装置
空调水系统采用一次泵变水量双管制系统，空调冷热水立干管采用同程设置，每层水平干管采用异程设置。系统采用立式膨胀罐定压方式。末端部分主要采用全空气系统和风机盘管加新风系统。
2.4 地埋换热器系统设计
地下埋管换热器是地埋管地源热泵系统设计的核心部分，设计合理与否直接影响到系统的运行效果及初投资。土壤的初始温度、类型、传热特性以及密度和湿度等参数是影响埋管换热器设计的重要参数，因此做好施工场地的地层勘察和土壤热物性测试工作非常重要。同时，建筑物全年累计的冷热负荷通常是不均衡的。因此在埋管换热器的设计中，必须要确定的是依据冬季热负荷还是夏季的冷负荷来计算换热器长度。另外，建筑物的冷热负荷都是随着环境温度的变化而变化的，所以运用动态负荷计算软件来分析建筑物的全年逐时负荷非常重要[2]。
根据本区域的地质资料表明，工程场区松散沉积层岩性主要为粘性土、砂土（细沙、粉砂）和粉土，且分布层位较稳定，可钻行较好。在工程场区130m 深度范围内，赋存多层地下水，存在较强的地下水渗流作用，有利于地埋管换热器的传热并可减弱地埋管换热器吸放热不平衡现象。本工程130m 地层导热系数和建议取值如表3所示。
表3 地层热物理性参数取值
参数 取值
导热系数（W/m•℃） 1.293
综合扩散率（m2/d） 0.053
2.4.1 换热器换热量的选取
地源热泵系统最大释热量与建筑设计冷负荷相对应。包括：各空调分区内地源热泵机组释放到循环水中的热量（空调负荷和机组压缩机耗功）、循环水在输送过程中得到的热量、水泵释放到循环水中的热量。将上述三项热量相加就可得到供冷工况下释放到循环水中的总热量。即：
最大释热量=Σ[空调分区冷负荷×(1+ EER)]+Σ输送过程得热量+Σ水泵释热量 （1）
本项目场地的垂直双U 型埋管单孔深排热量按58W/m计；取热量按34W/m计。
地源热泵系统最大吸热量与建筑设计热负荷相对应。包括：各空调分区内地源热泵机组从循环水中的吸热量（空调热负荷，并扣除机组压缩机耗功）、循环水在输送过程中失去的热量并扣除水泵释放到循环水中的热量。将上述前两项热量相加并扣除第三项就可得到供热工况下循环水的总吸热量。即：
最大吸热量=Σ[空调分区热负荷×(1−1/COP)]+Σ输送过程失热量−Σ水泵释热量（2）
查阅被选用的热泵机组的样册，统计出夏季空调运行所需要的机组制冷量之和Q 冷以及冬季采暖运行所需要的机组吸热量之和Q 热，查出机组制冷运行和制热运行的能效系数EER 和COP。
根据公式（1）和（2）可以得出最大释热量为2239kW，最大吸热量为1233kW。
2.4.2 换热井数的确定
（2）
其中：Q 为最大释热量或最大吸热量，q 为夏季或冬季单井换热能力，H 为单井井深。
本工程以夏季最大释热量为计算基准，故室外地源井共需300口，井深130m，采用双U 管，管道规格为D32×3.0PE，竖井管道承压1.6MPa，地面下水平管道（二级分集水器水平连接管）承压1.0MPa，井间距为4.5m×4.5m。
2.4.3 地埋管管径的选择
选择地埋管管径时必须满足几个原则：一是管道要大到足够保持泵最小输送功率，减少运行费用；二是管道要小到足够使管道内保持紊流以保证循环液体和管内壁之间的传热；三是系统环路的长度不要过长。
地埋管的管径选择要考虑到按U 型管的所需长度，成盘供应，以减少埋管接头数量，所需管件能低价供应，降低工程成本。所以目前采用较多的地埋管直径为PE80-SDR11-Ф32。
地埋管换热系统管路的压力损失主要在集路管，所以集路管管径应适当大一点。
2.4.4 地埋管管材的选择
从众多工程项目施工中得到：地埋管的管径在Ф20mm～Ф50mm时， 以PE80-SDR11-Ф32（GB/T13663-2000）为最佳。在换热器的换热量小的工程中，在保证质量的条件下，尽量选用薄壁管，以提高换热效果。孔深100m以内用壁厚为2.3mm的聚乙烯管；孔深300m以内用壁厚为3.0mm的聚乙烯管。影响地耦管长度的因素有换热器的换热量、管的材质、土壤的结构、埋管的形式以及连接方法等。
2.4.5 地埋管换热器的连接
实际工程中，地埋循环管多为并联连接到大直径的集管上的，连接时均采用同程回流式系统。在此系统中，流体有足够的流量流过各并联支埋管并且流程相同，因此，各埋管支路的流动阻力、流体流量和换热量比较均匀。
在本工程中，采用多个分支同程回流系统，再并联成总同程回流系统，每个分支系统均有管道平衡井。
3 系统冷热源方案的选择与分析
该综合服务楼工作时间为8:00-18:00，在末端装置确定的情况下，各对比方案之间的经济性差异主要是系统冷热源不同引起的，冷热源一般是集中设置。根据我国能源现状，确定了几种常见的冷热源方案，并与土壤源热泵系统进行分析比较。
方案1：水冷冷水机组+市政供热；方案2：风冷螺杆式热泵机组；方案3：地源热泵。本文就以上三种方案的技术特点、经济性、环保性进行了分析比较，用以确定适合本项目的空调方案。
3.1 初投资比较
各方案初投资见表4。由表4 可知，方案3 地源热泵系统的初投资最大，其次是方案2，方案1水冷冷水机组+市政供热的初投资最小。造成土壤源热泵系统初投资高于其他系统的主要原因是钻孔费占系统比例较大，约为系统初投资的30%。由此可见，要降低方案3 初投资主要是要降低系统钻孔费用的大小。
表4
3.2
注：1.运行费中：电价按1.0 元/kWh；2.夏季机组运行系数为0.6，冬季机组运行系数为0.5；3.管网损失费约占总费用的5%，维护费为维护材料费和人工费。
由表5 可知，方案1 的年运行费用是最高的，其次是方案2，方案3 的年运行费用最低。图2 为各种方案初投资及运行费用比较图。
费用（万元）
图2 各种方案初投资及运行费用
3.3 投资回收年限的计算
根据动态回收期公式：
（4）
式中， P′ 为动态投资回收期；CI 为地源热泵系统比普通中央空调系统节省的电费；CO为地源热泵系统比普通中央空调系统费增加的投资； 为基准收益率，取一年期利率4.14％。
从公式4 和图2 中可以得出，方案3 同方案1和2比较，采用地源热泵系统的投资回收期为4.7 或8.5 年。
综上所述，土壤源热泵系统虽然由于室外部分比较复杂，初次投资高于普通空调系统，但普通空调的运行费用远高于土壤源热泵系统，一般4～9年时间就可以将增加的初次投资收回。普通空调寿命一般在15年左右，而土壤源热泵的地下换热器
由于采用高强度惰性材料，埋地寿命至少50年。因此，从使用寿命和运行费用来考虑土壤源热泵系统的经济性是高于普通空调系统的，鉴于机组长期运行费用的节省和国家对节能环保工程的政策优惠，采用土壤源热泵系统最经济。
4 结论
本项目采用地源热泵，具有积极的经济、社会效益。从国家的相关政策来看，采用地源热泵技术也符合国家大力发展推行节能减排的政策。本工程采用地源热泵系统在技术上是可行的，经济上是合理的，是国家大力推广的技术，且具有良好的发展前景。