南郊農場辦公樓地源熱泵空調系統設計實例分析

摘要：文章結合具體工程實例分析地源熱泵空調系統在南郊農場辦公樓的應用情況，從技術和經濟兩個方面表現地源熱泵空調系統的運行特點和理想的節能效果。文章特將該系統和傳統的水冷螺桿機組+燃氣鍋爐系統做出比較，更清晰地突出了地源熱泵空調系統的優勢。

關鍵詞：地源熱泵；頂棚輻射；水環熱泵；經濟效益

中圖分類號：TK529 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）23-0014-03

通常，土壤在超過地面之下3m時，溫度全年比較穩定，通常徘徊在10℃～25℃之間。相對于空氣源熱泵，地源熱泵制冷、制熱系數要高約40%，達到3.5～4.4的水平，而其運行費用卻不到普通中央空調的一半。相對于傳統的水冷螺桿機組+燃氣鍋爐系統，地源熱泵空調系統占用的建筑空間小得多，且更易維護，僅需定期清理空氣過濾網及凝結水盤即可。另外，該系統環保效果也很理想，無污染，無噪聲?？傊?，地源熱泵空調系統由于其獨特的優勢，受到業內人士廣泛的重視和采用。

1 工程概況

南郊農場地跨大興、豐臺、房山三區，地處城鄉結合部，南郊農場辦公樓總建筑面積13000m2，地上建筑面積9000m2，地下建筑面積4000m2，地上部分分主樓和附樓，主樓主要功能為辦公，附樓主要為休息、接待場所。地下主要功能為設備用房及汽車庫。建筑高度12.3m。

2 地源熱泵空調系統設計

2.1 主要技術指標

本空調覆蓋區域的主要技術指標設計如表1、表2所示：

2.2 空調系統選型及工作原理

主樓辦公區的供冷及供暖采用的是垂直地埋管地源熱泵空調+頂棚輻射系統，而附樓采用的復合型地源熱泵空調系統為水環熱泵+冷卻塔+地埋管。工作原理分別參見圖1、圖2所示：

2.3 冷熱源設備

通過負荷驗算，主樓選用1臺MWH180CB型土壤源熱泵機組，其制冷量為626kW，制熱量為494kW，其采取了頂棚輻射進行供冷和供暖的措施。夏季，冷水由地源提供，分為2路，一路通過板式換熱器為樓板埋管供水，供回水溫度為17℃～21℃；另一路用于屋頂的新風機組，夏季新風機組供回水溫度為7℃～12℃。在冬季，熱水通過地源獲得，冬季樓板埋管空調供回水溫度為25℃～29℃，而新風空調機組供回水溫度為30℃～35℃。為達到空調夏季熱平衡的目的，于夜間及負荷較低時段運行供樓板埋管系統將建筑預冷，并蓄冷于樓板，而于負荷高峰時段進行機械制冷時，樓板起輔助供冷作用。附樓的水環熱泵+冷卻塔+地埋管系統于夏季進行地埋管散熱，輔以閉式冷卻塔散熱。水環路熱泵（WLHP）空調系統的原理為在建筑物的內區需供冷同時外區需供熱的情況下，將內區熱量轉移到外區，調整整個建筑內部的能量供求以達到一個平衡狀態，這樣可停運室外的冷熱源，其經濟效益十分可觀，能量消耗也少。該主機采用分散式水環熱泵機組，夏季冷卻水供回水溫度為30℃～35℃。

2.4 土壤換熱系統

室外土壤換熱采用的是垂直埋管系統。請地質專家勘查項目場地，且需測試土壤熱物性。室外換熱管長度和數量的選擇需考慮到項目場地地質、水文情況和測井數據，并通過專業設計軟件進行計算。充分考慮需求，一共裝設90組垂直U型換熱管埋深80m。

2.5 室內末端風、水系統

分別設置2組空調水系統和地埋管系統，分別獨立應用于主附樓兩個區域。附樓采用吊裝式水環熱泵空調機組+新風預處理機組。主樓采用頂棚輻射+置換式新風系統，于夏季為進行室內降溫，將循環冷水注入輻射管網；于冬季為進行室內升溫，將循環熱水注入。室內潛熱負荷由新風系統承擔，新風機組由轉輪式全熱回收，送風由地板，排風由走道天花。頂棚輻射為樓板埋管，具體如圖3所示：

3 地源熱泵空調系統與傳統水冷螺桿冷水機組+燃氣鍋爐系統的比較

當前，我國大中型建筑以“冷水機組+鍋爐”作為中央空調冷熱源形式占絕大多數，雖然該類系統具有高效率、高效果的優點，但運行耗能大。在此筆者結合該工程，從節能和經濟方面比較分析地源熱泵和“冷水機組+鍋爐”兩種冷熱源的空調系統。

3.1 初投資比較

本項目中熱泵空調系統初投資約220萬元，其中地源熱泵130萬左右（包括室外地埋管、鉆孔、土方等支出），臥式整體水環熱泵75萬左右，循環水泵約3萬，冷卻塔2萬，其他10萬左右。而采用傳統的“冷水機組+鍋爐”空調系統初投資約190萬元，其中冷水機組80萬左右，燃氣熱水鍋爐90萬左右，循環水泵約6萬，冷卻塔4萬，其他10萬元。

通過上述分析，相對于常規的空調系統，地源熱泵空調系統的初投資更高，高出220-190=30萬元。

3.2 運行費比較

設空調系統年供冷時間為1200h，年供熱時間為960h，并設在負荷為100%、75%、50%和25%的情況下，系統供冷和供熱時間分別占總時間的10%、30%、50%和10%，按照此假設進行冷熱源設備年運行費用的計算和分析，參見表3所示：

通過表3得知，二者運行費差別為42-30=12萬元/年，地源熱泵系統的簡單回收期約為30÷12=2.5年。該地源熱泵機組設計使用年限為20年，而室外地埋管設計使用年限為70年，相對于傳統空調系統，該地源熱泵空調系統運行20年節省的費用為：12×20=240萬元。

4 自動控制

4.1 主樓水泵控制方式

根據不同時候的負荷大小，該地源熱泵空調系統設置壓差旁通閥來調整地源熱泵的數量。

4.2 附樓水泵控制方式

當系統處于空調季節，參考水環熱泵負荷最不利環路的側壓差，首先將冷卻塔開啟并進行變頻運轉控制，在冷卻水泵運行停止后，對地源熱泵變頻運轉進行控制；當系統處于過渡季節，參考水環熱泵負荷最不利環路的側壓差，首先將地源側水泵開啟并進行變頻運轉控制，在地源側水泵運行停止后，對冷卻塔水泵變頻運轉進行控制。

4.3 新風機組控制方式

當系統處于空調季節，將轉輪式熱交換器進行開啟，并將排風中全熱負荷進行回收；當系統處于過渡季節，將轉輪式熱交換器進行關閉，而將對應的新排風旁通風閥進行開啟，另外，裝設空氣凈化器于空調箱混合段后。

5 結語

相對于常規空調系統，地源熱泵空調系統在節能和經濟方面占據很大優勢，本工程實例的分析計算結果顯示，相比較傳統的水冷冷水機組+燃氣鍋爐空調系統，地源熱泵空調系統的初投資多出15.8%，而年運行費卻節省約28.6%，僅2.5年左右就可簡單回收。實際上，應用地源熱泵時還需要考慮土壤和巖石特性對施工效果和初投資的影響，并且做好如土壤熱物性參數、最佳匹配參數及動態特性的方面的研究，這些都是設計工程人員必須思考和總結的問題，對地源熱泵應用的可行性的提高具有重要的意義。

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作者簡介：游榮（1981—），貴州人，供職于北京龍安華誠建筑設計有限公司，研究方向：暖通設計。