咸陽某宿舍樓地源熱泵空調系統設計探討

李美瓊

摘要 通過將地源熱泵空調系統應用于咸陽地區某宿舍樓這一工程實例，詳細介紹了地源熱泵空調系統的冬夏季運行情況，并結合實際工程對地源熱泵空調系統做出詳細的方案設計，使這一新型節能空調系統得到良好的應用和推廣。

關鍵詞 宿舍樓 地源熱泵空調系統 節能

0 引言

在我國由于能源價格的特殊性以及人們節能、環保的認識程度以及其它一些因素的影響，地源熱泵空調技術應用和發展比較緩慢，人們對之尚不十分了解，推廣較困難。然而隨著人們生活水平的提高，人均能耗的增長，一次性礦物能源的日益衰竭以及環境的日趨惡化，地源熱泵技術已越來越引起人們的重視，這就對地源熱泵空調系統設計提出了新的課題。

1 工程概況

宿舍樓位于西咸灃渭新區，總建筑面積17588㎡，每幢樓總建筑面積為5862.89㎡，建筑層數6層，總建筑高度為18.45m。

2 室內外設計計算參數

1.1 室內設計參數

1.2 室外設計參數

3 地源熱泵中央空調系統概述

3.1空調冷熱源系統

根據空調冷、熱負荷進行熱泵機組的選型，選用2臺YEWS170HA50E-HP型地源熱泵機組作為空調冷熱源。2臺YEWS170HA50E-HP型地源熱泵機組同時制冷或制熱提供宿舍的空調使用，并且可根據室外溫度變化和室內溫度的設定，機組進行負荷匹配和調節，可實現高峰和低谷的切換使用。

地源熱泵空調系統冬夏季工作原理圖如下：

1）在夏季，地下18℃左右的溫度與室外溫度相比可稱為低溫。地源熱泵主機收集室內多余的熱量，通過循環水將熱量排入環路而為大地所吸收，同時吸收大地的較低溫度再排到室內，使房屋得到供冷。

2）在冬季，地下18℃左右的溫度與室外溫度相比可稱為高溫。埋在地下的封閉管道從大地收集自然界的熱量，管道中的循環水把熱量帶給地源熱泵主機，主機將大地的能量提取出來并集中，再以較高的溫度釋放到室內，提供空調制熱。

3.2空調風系統

宿舍樓采用單獨設置風機盤管的空調方式，每個房間設臥式暗裝風機盤管，宿舍內風機盤管采用側送上回氣流組織方式，洗衣房風機盤管采用上送上回氣流組織方式，本次設計中新風由門窗開啟換氣，宿舍衛生間采用換氣扇排風（用戶自理），公共衛生間由外窗排風。

4 機房及室內管網設計

4.1空調冷、熱負荷的確定

空調房間冷（熱）負荷的計算是確定空調系統送風量和空調設備容量的基本依據。本系統冷熱源來自熱泵機房冷熱水管，空調冷凍水供回水設計溫度為7℃/12℃。

本項目總建筑面積約1.8萬平方米，空調系統總冷負荷為1100KW，總熱負荷為720KW。

4.2 熱泵機組選型

本項目宿舍樓共有3棟，每棟6層，每層共21個宿舍，采用地源熱泵中央空調系統實現夏季制冷、冬季采暖。本工程的空調使用的冷、熱源的熱源確定為采用PE100單U型垂直地埋管土壤源換熱器，冬季從地下提取熱量，夏季向地下排放熱量。

本項目集中考慮空調冷熱源，全部由設于動力機房中的地源熱泵機組提供。根據空調冷熱負荷進行熱泵機組的選型，選用2臺YEWS170HA50E-HP型地源熱泵機組作為空調冷熱源。

5 室外管網設計

5.1室外地埋管系統換熱量以及井數計算

室外地埋管換熱器數量以夏季冷負荷所需的換熱量考慮10%的安全系數為基準選取，可同時滿足夏季制冷、冬季采暖的需求；

根據咸陽地區以往的施工經驗，以及本項目做出來的巖土熱物性測試結果，測試工況下每米井深換熱量為：測試條件下40.45W/m，根據測試情況下的數值推導綜合熱阻值計算冬季工況下平均每延米深換熱量約為：39w/m，夏季為56w/m。

根據《地源熱泵系統工程技術規范》2009版GB50336-2005，計算地埋管換熱器鉆孔的長度；

1）制冷工況下，室外豎直地埋管換熱器鉆孔的長度可按下式計算：

Lc=1000Qc[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fc+Rsp×（1-Fc）]/（tmax- t∞）×（EER+1/EER）

Fc=Tc1/Tc2

2）供熱工況下，豎直地埋管換熱器鉆孔的長度可按下試計算：

Lh=1000Qh[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fh+Rsp×（1-Fh）]/（t∞-tmin）×（COP-1/COP）

Fh=Th1/Th2

式中各符號表示意義可參見《地源熱泵系統工程技術規范》2009版GB50336-2005相關內容。

由于夏季空調冷負荷所需換熱量大于冬季熱負荷所需換熱量，故室外地埋管換熱器數量以夏季冷負荷所需換熱量并考慮10%的安全系數為基準選取；因此可以計算出夏季工況下需要的總打井深度。

經上式計算夏季工況及延米換熱量數值計算總打井長度需9167米；

地埋管換熱器井深度按120米計算，考慮10%的安全系數則以夏季井數為準，則總數量為180口，布置180口地埋管換熱器可同時滿足夏季制冷和冬季供熱的要求。

根據布置情況，場地可以提供滿足以上換熱器數量的布置要求。

5.2 管材的選擇

室外地埋管管材及管件全部采用HDPE高密度聚乙烯地埋管專用管材管件（ 32， 50， 63性能見下表），系統使用壽命為50年。

公稱外徑（mm） 公稱壁厚/材料等級（mm） 公稱壓力（Mpa）

32

50

63 3.0（PE100）

4.6（PE100）

5.8（PE100） 1.6

1.6

1.6

5.3布管方式確定

地埋管水平連接方式：每4眼井一組，兩組串聯采用5通聯箱，通過 63PE管通往集分水器，通過大量的工程實踐，我們得出的經驗是：地埋管系統設計越簡單，用的管材、件規格越少，焊點越少，系統越可靠。在本次設計中，管材只有三種： 32、 50與 63；管件只有4種：地下單U彎頭、五通聯箱、電熔變徑、電熔套筒。管材與管件連接全部采用電熔焊接，從而最大程度上保證了系統的可靠性。并聯保證了地埋管每一個環路都處于最佳換熱狀態。為減小水平管道中的循環液的溫度不受外界環境氣溫影響，水平埋深至少為地面以下1.5m（咸陽凍土層厚度為0.24m）。

6 結語

地源熱泵是利用清潔可再生能源的一種技術，是一種利用地球所儲藏的太陽能資源作為冷熱源，進行能量轉換的供暖制冷空調系統。本文通過對咸陽地區某宿舍樓地源熱泵空調系統設計方案的探討，利用當地良好的地質條件及適宜的土壤溫度，將這一新型節能空調系統應用于實際工程實踐中，推動了地源熱泵技術的應用和發展。

參考文獻：

[1] 美國制冷空調工程師協會.地源熱泵工程技術指南[M].徐偉，等，譯，郎四維，校.北京：中國建筑工業出版社，2001

[2] 中國建筑科學研究院.GB50366-2005地源熱泵系統工程技術規范[S].2009年版.北京：中國建筑工業出版社，2009