神農大酒店地源熱泵空調系統技術方案分析

譚超毅，王孟孟，胡海華，陳剛，唐文斐

（1. 湖南工業大學土木工程學院，湖南株洲412007；2. 湖南天易集團有限公司，湖南株洲412007）

神農大酒店地源熱泵空調系統技術方案分析

譚超毅1，王孟孟1，胡海華1，陳剛2，唐文斐1

（1. 湖南工業大學土木工程學院，湖南株洲412007；2. 湖南天易集團有限公司，湖南株洲412007）

為了提高地源熱泵空調系統的能效比并降低地源熱泵空調系統地埋換熱器的換熱器面積，減小系統投資，對神農大酒店地源熱泵空調系統采用不同技術方案，從系統熱負荷、全年不平衡熱負荷、冷卻水流量、系統能效比等幾方面進行理論分析，經綜合比較，采用冷熱一體機與熱水機串聯+冷卻塔輔助散熱的復合式系統方案優于其他方案。但此方案受制于目前市場上冷熱一體機的冷凝器和熱水機蒸發器的循環水流通截面積不相等，引起流動阻力增加，影響使用效果。因此開發出冷熱一體機的冷凝器和熱水機蒸發器的循環水流通截面積相等的產品，是科研工作者和生產廠家要解決的首要問題。

地源熱泵空調系統；能效比；地埋換熱器；換熱面積；不平衡熱負荷

0 引言

世界性的能源危機和生存環境的惡化，催生人們對能源和環保的重視。地源熱泵空調系統作為一項實用的環保節能技術，對它的利用和研究方興未艾。國際能源大會、國際能源署、國際制冷學會等國際著名組織的研究者都普遍認為，無論目前還是將來，地源熱泵空調系統是最有前途的節能裝置和系統。我國研究者[1]認為地源熱泵空調技術的大量推廣應用，有助于我國2020年實現單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%的減排目標。隨著我國“十一五”節能規劃和《可再生能源法》的頒布實施，可再生能源在建筑中的應用成為建筑節能減排的大方向。地源熱泵空調技術的推廣應用為建筑節能與可再生能源的應用提供了很好的技術結合點。據相關數據統計，截至2012年底，我國與地源熱泵相關企業如設備制造、工程設計與施工、系統集成與調試、管理與維護等已經達到3 450余家，從全國范圍看來，現有工程數量已經達到5 000多個，總面積達2.4億m2[2]。

神農城建設項目是株洲市建設“資源節約型、環境友好型”兩型社會的精品工程之一，也是株洲市繼創建國家衛生城市、國家園林城市后，實施“城市提質”“園區攻堅”和“旅游升溫”三大戰役的重大組成部分，是提升城市品位，將株洲市建設成為低碳經濟、資源節約、環境友好、生態宜居城市的重大舉措。神農城建設項目以炎帝廣場和天臺公園為核心，以神農文化為主題，在原炎帝廣場的基礎上，建設生態天臺公園、生態水系神農渠和神農湖、輔以神農大道、神農廣場、神農塔、神農像、神農太陽城、神農文化藝術中心、神農大劇院和神農大酒店等一大批標志性建筑和景觀，是集園林、文化、旅游、商業于一體的新型城市建筑群。作為“資源節約型、環境友好型”兩型社會的精品工程，節能減排是它肩負的歷史使命。地源熱泵空調技術成為首選的節能環保技術。[1]

神農城積極響應國家的節能減排號召，在空調系統實施方案中綜合考慮自身區位優勢和地理條件，在神農大酒店采用地源熱泵空調系統方案。在地源熱泵空調系統方案中，通常為滿足地層全年的吸放熱平衡以及提高能量利用率，地源熱泵機組通常與冷卻塔、熱水機組組合成復合式系統。本文將就冷熱一體機組，包括帶冷凝熱回收的冷熱一體機組與熱水機組串聯或并聯在系統中，并采用冷卻塔輔助散熱或集熱的幾種方案進行對比分析，適宜于神農大酒店的投資小、節能效果顯著的地源熱泵空調系統方案。

1 神農大酒店地源熱泵空調系統方案分析與比較

神農大酒店，建筑層數為1 6層，建筑面積17 000 m2，空調冷負荷2 450 kW，空調熱負荷1 700 kW，熱水熱負荷370 kW。

根據神農大酒店的負荷特點和周邊的地理條件，從節能角度出發，宜采用水源熱泵或地源熱泵空調系統。根據神農湖的供暖供冷能力，建設方已經決定將水源熱泵空調系統安排在神農藝術中心等建筑中，故本文不再作討論，僅討論在神農大酒店采用地源熱泵空調系統方案。

下面分別討論冷熱一體機組，包括帶冷凝熱回收的冷熱一體機組與熱水機組串聯或并聯在系統中，并采用冷卻塔輔助散熱或集熱的幾種方案。即：方案一為采用冷熱一體機與熱水機并聯+冷卻塔輔助散熱的復合式系統，方案二為采用帶熱回收的冷熱一體機與熱水機并聯+冷卻塔輔助散熱的復合式系統，方案三為冷熱一體機與熱水機串聯+冷卻塔輔助散熱的復合式系統。復合系統的投資取決于地埋管換熱器的換熱面積和冷卻塔輔助散熱系統，節能減排效果取決于系統的能效比。而系統的換熱器換熱面積與系統的冷凝熱負荷或蒸發冷負荷成正比，冷卻塔輔助散熱或集熱系統的大小與系統的全年不平衡熱負荷成正比。所以本文通過對3種不同方案中復合式系統的系統熱負荷、全年不平衡熱負荷、冷卻塔冷卻水量以及系統能效比的計算對比對3種方案進行評價。為了分析的簡單，本文作下述假定：假定一，冷熱一體機組與帶冷凝熱回收的冷熱一體機組的制冷、制熱系數相等；假定二，地埋換熱器面積足夠大，流出冷熱一體機組或熱水機組的循環水，進入地埋換熱器換熱后，恢復到原狀。

1.1 方案一的相關參數計算

1）冷凝熱負荷和全年不平衡熱負荷計算

供冷產生的冷凝熱負荷可以按式（1）計算。

冷熱一體機組供熱產生的冷負荷可以按式（2）計算。

熱水機組供熱水產生的冷負荷可按式（3）計算。

式中：Q4為為建筑最大熱水用量，kg·s-1；C為水的比熱容，kJ·(kg·℃)-1；T3為熱水供水溫度，℃；Ti3為室外水的月平均溫度，℃。

系統全年不平衡熱負荷，即必須由冷卻塔提供或散發的熱負荷，按式（5）計算。

式中Q15為系統全年運行不平衡熱負荷，kW·h。

若Q15＞0，則夏季運行冷卻塔散熱，反之則冬季運行冷卻塔吸熱。

2）冷卻塔冷卻水量計算

冷卻塔冷卻水量，根據全年不平衡熱負荷，按式（6）計算，即

式中：G1為方案一的冷卻塔冷卻水流量，kg·s-1；為冷卻塔的換熱效率，由設備廠家提供；Δt為冷卻水在冷卻塔的水溫降，℃。

3）能效比

方案一的能效比按最高的平均能效比計算，按式（7）計算，即

式中：1為系統的最高平均能效比；N1為冷熱一體機的有效功率；N2為熱水機的有效功率。

1.2 方案二的相關參數計算

1）冷凝熱負荷和全年不平衡熱負荷計算

此方案中，夏季熱水由帶熱回收的冷熱一體機提供，其他季節，熱水由熱水機組提供。供冷產生的冷凝熱負荷可以按式（8）計算。

冷熱一體機組供熱產生的冷負荷按式（9）計算。

熱水機組供熱水產生的冷負荷按式（10）計算。

式中：Q冷22為熱水機制熱蒸發冷負荷，kW·h。

系統全年運行不平衡熱負荷，即必須由冷卻塔提供或散發的熱負荷，按（11）式計算。

式中：Q25為方案二的全年不平衡熱負荷，kW·h。

若Q25＞0，則夏季運行冷卻塔散熱，反之則冬季運行冷卻塔吸熱。

2）冷卻塔冷卻水量計算

冷卻塔冷卻水量，根據全年不平衡熱負荷，按式（12）計算

式中：G2為方案二的冷卻塔冷卻水量，kg·s-1。

3）能效比

方案二的能效比按最高的平均能效比計算，按式（13）計算，即

式中2為系統的最高平均能效比。

1.3 方案三的相關參數計算

冷熱一體機與熱水機串聯，有兩種可供選擇的方案。方案一：冷熱一體機的冷凝器與熱水機的蒸發器串聯，且冷熱一體機的冷凝器在前，熱水機的蒸發器在后，使制冷產生的熱不經過地埋換熱器就大部分被熱水機吸收。這種串聯方式可以提高熱水機組的能效比，同時減少地埋換熱器的換熱面積。方案二：冷熱一體機的冷凝器與熱水機的蒸發器串聯，且熱水機的蒸發器在前，冷熱一體機的冷凝器在后。這種串聯方式，可以提高冷熱一體機的制冷能效比，但制冷時產生的熱全部進入地埋換熱器，故對減少地埋換熱器換熱面積的效果比方案一差，故不討論。

1）冷凝熱負荷和全年不平衡熱負荷計算

聯合供冷和供熱水時段產生的冷凝熱負荷可以按下式計算。

式（8）中的冷凝回收熱與采用熱水機制熱水所耗能相等，因此nTjR=24nQ3，故有Q熱3＞Q熱2。

冷熱一體機組供熱產生的冷負荷可以按式（15）計算。

其余時段熱水機組供熱水產生的冷負荷可以按式（16）計算。

全年不平衡熱負荷，即必須由冷卻塔提供或散發的熱負荷，按式（17）計算。

式中：Q35為方案三的全年不平衡熱負荷，kW·h。

若Q35＞0，則夏季運行冷卻塔散熱，反之則冬季運行冷卻塔吸熱。

2）冷卻塔冷卻水量計算。

方案三的冷卻塔冷卻水量，根據全年不平衡熱負荷，按式（18）計算。

式中G3為冷卻塔的冷卻水流量，kg·s-1。

3）能效比

方案三的能效比按最高的平均能效比計算，按式（19）計算。

式中：3為系統的最高平均能效比；2為水溫升高后的熱水機制熱系數，按式（20）計算。

式中：TK為制冷劑冷凝溫度，℃；T0為地埋管系統循環水溫度，℃；Δt為串聯在熱水機前的冷熱一體機制冷時產生的冷凝熱釋放在循環水中引起水溫升高的溫度，℃。

2 3種方案比較

地源熱泵空調系統是一種利用地下淺層低溫地熱資源的既可供熱又可制冷的高效節能系統。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現低品位熱能向高品位轉移。地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源，同時蓄存冷量，以備夏用；而在夏季作為冷源，同時蓄存熱量，以備冬用。只要在運行周期內，空調系統冷熱負荷大致相等，一般可通過土壤自身的恢復能力和合理的運行調節來解決全年的熱平衡問題。地源熱泵換熱系統是以地下200米以內幾乎恒溫的地層作為貯存和提供冷熱源的介質。與傳統空調系統相比，地源熱泵換熱系統占地面積大，造價也高。但一般的空調系統，冷熱負荷并不相等，地源熱泵經長時間運行，就會出現地層溫度升高或降低的狀況，使地源熱泵系統的效率降低。

為了解決上述問題，平衡地源熱泵在運行周期內的土壤得熱與失熱，國內大多采用冷卻塔輔助散熱或集熱[3-4]的復合式系統。顯然，上述方案一至方案三都是這類復合式系統。復合式系統與投資大小有關的是地埋管換熱器換熱面積的大小和冷卻塔輔助散熱系統的大小。地埋換熱器換熱面積與系統的冷凝熱負荷或蒸發冷負荷（一般按兩負荷中小者來設計地埋換熱器換熱面積）成正比；冷卻塔輔助散熱或集熱系統的大小與系統的全年不平衡熱負荷大小成正比。比較式（1），（8），（14）有Q熱1＞Q熱3＞Q熱2，比較公式（5），（11），（17）有系統全年不平衡熱負荷Q15＞Q35＞Q25；比較式（6），（12），（18）有冷卻塔冷卻水量G1＞G3＞G2。因此，可得到以下結論：方案一的地埋換熱器換熱面積和冷卻塔輔助散熱或集熱系統大于方案三的地埋換熱器換熱面積和冷卻塔輔助散熱或集熱系統；方案三的地埋換熱器換熱面積和冷卻塔輔助散熱或集熱系統大于方案二的地埋換熱器換熱面積和冷卻塔輔助散熱或集熱系統。

為了提高改善地下換熱情況，提高系統能效比。有不少研究者[5-6]研究將冷水機組與熱水機組串聯或并聯在系統中。還有直接采用帶冷凝熱回收的冷熱水機組，如方案二。 本文作者著重研究方案三，即將冷熱一體機與熱水機串聯+冷卻塔輔助散熱的復合式系統，以期提高系統能效比，同時減少地埋管換熱器換熱面積和冷卻塔輔助散熱系統，達到降低工程造價的目的。

綜合上述比較結論，本文得出方案三優于方案二，方案二優于方案一，即方案三最好。

但第三方案，受制于目前市場上冷熱一體機的冷凝器和熱水機蒸發器的循環水流通截面積不相等，引起流動阻力的增加，影響使用效果。因此開發出冷熱一體機的冷凝器和熱水機蒸發器的循環水流通截面積相等的產品，是科研工作者和生產廠家要解決的首要問題。

3 結語

通過對神農大酒店地埋管空調系統采用不同技術方案的理論分析，從減小地埋管空調系統熱負荷，減少地埋換熱器換熱面積和冷卻塔容量，降低系統投資、提高系統能效比等幾方面進行綜合比較，采用冷熱一體機與熱水機串聯+冷卻塔輔助散熱的復合式系統的方案優于其他方案。

[1]孫友宏，仲崇梅，王慶華. 中國地源熱泵技術應用及進展[J]. 探礦工程：巖土鉆掘工程，2010，37(10)：30-34. Sun Youhong，Zhong Chongmei，Wang Qinghua，Progress and Application of Ground Source Heat Pump Technology in China[J]. Exploration Engineering：Rock & Soil Drilling and Tunneling，2010，37(10)：30-34.

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（責任編輯：申劍）

Analysis on Technology Scheme of Ground-Source Heat Pump System in Shennong Hotel

Tan Chaoyi1，Wang Mengmeng1，Hu Haihua1，Chen Gang2，Tang Wenfei1
(1. School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2. Hunan Tianyi Group Co., Ltd., Zhuzhou Hunan 412007，China)

In order to improve the energy efficiency of ground-source heat pump system and reduce the system underground heat exchanger area and to lower the system investment, different technical solutions are considered in ground-source heat pump system of Shennong Hotel. After comprehensively analyzing and comparing the system heat load, the annual unbalance heat load , cooling water flow and the system energy efficiency of different solutions, the scheme of cooling and heating integrative machine with water heater series connection and cooling tower auxiliary radiation hybrid system outperforms the other schemes. However, the scheme is subject to the unequal cross-sectional area between the condenser of cooling and heating machine and the evaporator of water heater, resulting in flow resistance increases and affecting the use effect. Therefore, the key issue for researchers and manufacturers is to develop the matching condenser and evaporator with equal circulating water flow area.

ground-source heat pump system；energy efficiency ratio；ground heat exchanger；heat exchanger area；unbalance heat load

TU831

A

1673-9833(2014)03-0001-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.03.001

2014-02-24

湖南省科技重大專項基金資助項目（2011FJ1007）

譚超毅（1956-），湖南邵陽人，湖南工業大學教授，碩士，主要從事建筑設備節能技術方面的研究，E-mail：tanchaoyi123@126.com