南方地區小型地源熱泵工程方案探討與優化

■楊偉杰，楊正玉，楊春杰，權芹鋼

■1.四川環宇建筑設計有限公司，四川 成都 610000;2.江蘇省地質礦產局第三地質大隊，江蘇 鎮江 212001

地源熱泵工程設計需要考慮多個方面，設計質量直接關系著工程的運行情況，目前地源熱泵的推廣工作主要是設備商，地源熱泵設計往往僅考慮建筑物規模、性質等，對地質情況往往不清楚，造成很多工程應用不合理，甚至造成地質環境破壞。地源熱泵推廣的另一個特點是初投資較大，需要進行部分鉆孔施工，室外工程費用占據整個工程的1/3 左右，回收期較長，阻礙了地源熱泵的推廣。本文通過對地質條件研究及建筑物特點通過改進設計，保證了工程的運行效果，減少了初投資。

1 工程概況

本工程位于江蘇省句容市，建筑物為一小型單體建筑，空調面積約為440 平方米，地下一層，地上兩層。根據甲方要求及區域氣象特點，夏季空調制冷期約為120 天，冬季供暖期約為90 天，全年提供生活熱水，冬季采用低溫熱水地板輻射供暖。

2 設計方案

2.1 工作思路

設計內容主要包括地源熱泵主機房設備、室外地埋管換熱器以及室內空調末端三個主要部分。

(1)地源熱泵主機房設備主要為帶熱回收地源熱泵機組。熱泵機組通過水路切換閥完成冬夏切換，通過溫度控制系統來控制循環水的溫度，達到室內的溫度和濕度的要求，同時可以通過調整生活熱水用量，使計算周期內，地源熱泵系統夏季總釋熱量與冬季總吸熱量相平衡。

①冬季空調側進出水溫度為40/45℃，地埋管換熱器側進出水溫度為10/5℃;②夏季空調側進出水溫度為12/7℃，地埋管換熱器側進出水溫度為25/30℃;③生活熱水進出水溫度為40/55℃。

克萊門特地源熱泵機組是國際知名品牌，該機組質量可靠、運行穩定、控制操作簡單、并且該機組配設保護報警功能和故障處理能等。

本次選用的是克萊門特新型多功能機組，具有制冷、供暖、四季熱水等功能，通過熱回收提供生活熱水。其機組集成度高，空調側和地源側水泵、生活熱水水泵均已集成在機組內，用戶無需單獨配置水泵。

(2)室外換熱器:首先根據建筑物面積、使用性質等因素，對整個系統負荷進行初步估算;選擇熱泵機組的型號、規格;根據建筑物地層換熱能力來確定埋管的深度和數量。根據規范要求，本項目為小型建筑物，不需要專門進行現場熱交換試驗，每延米換熱量等設計參數可通過規范、經驗及區域淺層地熱評價等資料獲得。冬季熱泵系統通過地埋管換熱器從地下提取熱量，夏季釋放熱量。管材采用的是高密度聚乙烯管，一般采用雙U 型地埋管方式，進行鉆探、試壓、填料等程序，通過水平連接管匯集后接入機房。

(3)室內空調末端系統形式:風機盤管+低溫熱水地板輻射供暖+新風換氣系統+生活熱水系統。

地上兩層:利用風機盤管進行室內制冷，利用地板輻射對室內進行供暖。地下一層:利用風機盤管進行室內制冷，利用地板輻射對室內進行供暖;利用新風換氣機組對地下室空氣濕度及空氣質量進行調節。

2.2 設計方案

方案階段，根據建筑物特點進行負荷估算:冬季熱負荷指標約60W/m2，估算熱負荷26.148kW;夏季冷負荷指標約80W/m2，估算冷負荷34.864kW。

地源熱泵機組:機房配置克萊門特AQSW DHW0091 熱泵機組42.8/39(kW);空調冷熱水循環泵組:選用熱泵機組內置有3 臺AQSW DHW0101 熱泵機組內置水泵。本工程機房設備配電容量為13.5KW。

垂直鉆孔數量的確定:冬季地埋管換熱孔的延米換熱量暫按50W/m 計算，夏季地埋管換熱孔的延米換熱量暫按55W/m 計算。根據以上數據及機組吸/排熱量，計算出在冬季工況下換熱孔延米數為761m，夏季工況下延米數為936m。從以上計算可以看出，應以夏季工況設計地埋管數量，單孔深設計100m，則需要換熱孔數10 個。

換熱孔直徑不小于152mm，孔間距不小于5.0 米進行布置，水平連接管埋設在別墅周邊空地下面，距地面1.6 米以下，不影響地面美觀及使用;換熱管按雙U 型布置。填料采用含有水泥、砂子的混合物。

室內地板采暖方案:地下一層空調面積100m2，熱負荷6000w，室內設計溫度20 度，取供回水溫度40/45℃，每米管長散熱量26.54w/m2，管長226m，校正值為428m。

一層空調面積168m2，熱負荷10080w，度20 度，取供回水溫度40/45℃，每米管長散熱量26.54w/m2，管長379.8m，校正值806m。

二層空調面積168m2，熱負荷10080w，度20 度，取供回水溫度40/45℃，每米管長散熱量26.54w/m2，管長379.8m，校正值806m。

3 設計方案優化

(1)根據場地地質情況，場地地層為黃土層，厚度約12 米，下覆基巖為強風化-中風化砂巖。通過區域淺層地溫能調查資料，冬季地埋管換熱孔的延米換熱量為58W/m 計算，夏季地埋管換熱孔的延米換熱量為65W/m 計算。區域上地表水豐富，地下水主要為基巖裂隙水。地下水較為豐富，附近單井涌水量可達540m3/天。場地基巖的導熱率可達2.59w/(m·℃)，換熱效率較好，豐富的地下水條件，成為能量交換和儲存的重要通道。

(2)根據建筑物特點，需要進行地下室的修建，基礎標高在-3.5米，可以在基礎開挖過程中在地下室部分進行水平管的鋪設，減少鉆孔數量。

地下室底板下采用水平埋管的形式，埋管長度大約300m。地下周圍肥槽采用水平螺旋埋管，肥槽長度54m，埋管長度大約600m。

水平埋管夏季換熱量經計算可以達到10740w;冬季換熱量8970W。

根據以上水平埋管換熱量及機組吸/排熱量，計算出在冬季工況下換熱孔延米數為444m，夏季工況下延米數為539m。從以上計算可以看出，應以夏季工況設計地埋管數量，單孔深設計100m，則需要換熱孔數6 個。

4 投資分析與運行費

原方案投資包括機房設備12.35 萬元，末端工程10.32 萬元，室外工程11.2 萬元，其余設計費、管理費、稅金等2.4 萬，總投資36.27 萬元。通過設計優化，減少室外工程4 個鉆孔，鉆孔費用減少3.6 萬元。

運行費用分析計算假定，能效比cop=制冷/熱量與輸入功率的比值為0.65;每年制冷4 個月120 天，平均每天工作16 小時共計1920 小時;每年制熱3 個月90 天，平均每天工作16 小時共計1440 小時;約定電價單價為0.50 元計算;約定天然氣價格2.05 元/m3

(1)地源熱泵系統設備能耗

總冷負荷量:25KW 總熱負荷:15KW

制冷:13.5x1920 ×0.50 ×0.65=8164(元)

制熱:13.5x1440 ×0.50 ×0.65=6318(元)

因此地源熱泵全年運行費用:14482 元。

風冷熱泵中央空調方案+燃氣采暖運行費用:

傳統風冷+燃氣系統系統設備能耗總冷負荷量:25KW;總熱負荷:15KW;天然氣:4.80m3/h;設備耗電:0.5KW。制冷費用為13942(元);制熱:12351(元)。

因此風冷+燃氣系統的全年運行費用是26293 元。

5 結論語

(1)本設計通過對場地區域地質、水文地質資料的分析，對地層每延米換熱量進行了校正和分析，使設計計算更加合理。

(2)根據建筑物特點增設水平埋管，減少鉆孔數量，減少初投資10%左右。

(3)南方地表水水系較為豐富，很多水塘面積較大，深度較大，具體一些工程可以通過地表水式和埋管式相結合的方式，在達到工程設計的同時，減少初投資。

(4)通過投資及運行費分析，系統節能效果明顯，年運行費可節約11811 元。

［1］《地源熱泵工程設計規范》(GB50366 -2005).

［2］陳科，譚慶收.別墅地緣熱泵設計與案例分析［J］.中國建設細細供冷制熱，2008.

［3］張素云.水平埋管換熱器地源熱泵實驗研究［D］.重慶大學碩士學位論文，2001.

［4］《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》(GB 50736 -2012).

［5］陸耀慶.實用供熱空調設計手冊，(第二版).