太原市某住宅小區地源熱泵空調系統方案探討

劉岳棟

(山西省建筑設計研究院，山西太原 030013)

1 概述

能源短缺和環境污染已成為全球性的兩大危機，嚴重威脅著人類的生存與發展。隨著社會經濟的發展和城市進程的加快，隨著我國建筑能耗總量的逐年上升，節能、環保問題開始廣受關注。國家也出臺了一系列政策、法規倡導建筑節能，設備節能，材料節能，不斷推進及完善中國的節能事業。

2 工程概述及目標

本工程位于山西省太原市萬柏林區，總建筑面積約30萬m2，功能為高檔住宅小區。本工程的目標是建設一個高舒適度、低能耗、健康、綠色、環保型的高檔住宅小區;充分利用現有的建筑類高新技術，對其屋面、外墻、外窗、采暖、制冷、新風等進行全面系統的優化設計，從而在節約能源的前提下，滿足高檔住宅對高品質生活的追求。

3 空調系統方案

3.1 空調冷熱負荷

太原市地屬我國寒冷地區，根據建筑物的使用情況及負荷特點，住宅小區以冬季供熱為主兼顧夏季供冷，按照熱負荷50 W/m2、冷負荷45 W/m2進行設計。并考慮住宅使用面積大約為建筑面積的75%，經估算總熱負荷為11 250 kW，總冷負荷為10 125 kW。

3.2 空調系統設計

本工程冷熱源采用地埋管地源熱泵機組冬季供暖、夏季供冷，住宅戶內均采用風機盤管系統。

3.3 埋地管地源熱泵系統設計

3.3.1 系統概述

埋地管地源熱泵系統是一種以土壤作為熱源/熱匯的水—水或水—空氣熱泵系統。由埋入地下的地埋管換熱器構成閉式系統，冬季從土壤取熱，夏季將冷凝熱散入土壤，在計算周期內全年的總釋熱量和總吸熱量達到基本平衡，以確保不破壞大自然的生態平衡。

3.3.2 室外地埋管系統設計

采用地埋管地源熱泵系統，埋管換熱系統是成敗的關鍵。根據初步了解情況，本工程所屬地區100 m深度土壤沒有巖石層，大部分都是粘土和砂層，打孔沒有太大難度，成本相對也不高。并考慮到此種深度的土壤溫度比較恒定，熱泵機組的性能系數較高，而且盡量減小埋管地面面積，所以本系統設計采用U形垂直式地埋管換熱系統，經過初步設計計算，需要鉆2 150個100 m深的孔，孔徑約為135 mm，垂直埋管管徑為32;孔間距為4 m～5 m，采用矩形布置，具體定位在施工圖中確定，地下埋管環路設計采用同程式，管材采用PE100高聚乙烯管。

3.4 系統優化設計

系統全自動運行，管理方便，只需設置4通切換閥門隨時可供冷供熱，在要求不高的情況下可不開主機，只運行水泵，利用天然冷源即可達到制冷效果。

4 與傳統集中供熱低溫地板輻射采暖+分體空調系統經濟比較

4.1 地源熱泵系統

4.1.1 初投資估算

室內末端費用:50元/m2。

機房部分費用:50元/m2。

地埋管部分費用:50元/m2。

每平方米總造價:150元。

本工程概算價格:300 000×150=4 500萬元。

4.1.2 運行費用

制熱運行費用:3 040×24 h×150 d×0.48×0.47元/(kW·h)=2 468 966元。

0.48為負荷系數。

主機電功率3 040 kW。

電價按平均電價0.47元/(kW·h)。

每天運行24 h。

每年運行150 d。

制冷運行費用:2 025×24 h×60 d×0.48×0.47元/(kW·h)=657 850元。

0.48為負荷系數。

主機電功率2 025 kW。

電價按平均電價0.47元/(kW·h)。

每天運行24 h。

每年運行60 d。

合計地源熱泵全年運行費用:3126816元，合1.489 元/(m2·月)。

4.2 傳統集中供熱低溫地板輻射采暖+分體空調系統

4.2.1 初投資估算

地板采暖部分費用:35元/m2。

集中供熱接入費及熱交換站建設費:80元/m2。

分體空調部分費用:80元/m2。

每平方米總造價:195元。

本工程概算價格:300 000×195=5 850萬元。

4.2.2 運行費用

集中供熱制熱運行費用:3.6元/(m2·月)×300 000 m2×150 d×0.75=4 050 000元。

0.75為使用面積系數。

分體空調制冷運行費用:3 616×24 h×60 d×0.48×0.47元/(kW·h)=1 174 708元。

0.48為負荷系數。

主機電功率3 616 kW。

電價按平均電價0.47元/(kW·h)。

每天運行24 h。

每年運行60 d。

合計全年運行費用:5 224 708元，合2.488元/(m2·月)。

4.3 結論

1)本工程在同時考慮制冷和制熱的情況下，地源熱泵系統大大優于集中供熱低溫地板輻射采暖+分體空調系統，初投資每平方米節省45元，運行費用每年節省210萬元。通過節省運行費用可在6.6年內收回高出部分投資，以后運行費用每年可省159萬元。

2)如果地源熱泵系統夏季可以免費運行，運行費用節省的更多。

3)本工程地源熱泵系統按照熱負荷50 W/m2、制冷負荷45 W/m2設計，如果建筑節能做的更好，前期投資和后期運行費用還能夠大大降低。

5 結語

埋地管地源熱泵系統能充分利用蘊藏于土壤中的巨大能量循環再生，實現對建筑的供暖和供冷，因而運行費用較低;運行部件比常規系統少，因而減少維護，設備安裝在室內，不暴露在風雨中，也可免遭損壞，更加可靠;運行中無需燃燒，因此不會產生有毒氣體，也不會發生爆炸;供冷、供熱更為平穩，降低了停、開機的頻率及空氣過熱和過冷的峰值，更容易適合供冷、供熱負荷的分區;一年四季可以隨時提供空調，可以隨時設定室內溫度，達到高要求、高標準;地埋管選用聚乙烯和聚丙烯塑料管，壽命可達50年;設計簡單靈活，安裝快速。近年來，隨著國際經濟技術合作的不斷深入和在工程中的成功運用，地埋管地源熱泵系統得到了空調界人士的認可和推崇，成為了我國中央空調發展的新趨勢，體現了節能、環保、靈活、舒適的新概念。是目前可使用的對環境最友好和最有效的供熱、供冷方式。

［1］ GB 50019-2003，采暖通風與空氣調節設計規范［S］.

［2］ 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007.

［3］ 馬最良，姚 楊.民用建筑空調設計［M］.北京:化學工業出版社，2003.