武漢南瑞陽邏基地地源熱泵空調系統設計

孫權

摘要：本文介紹了大型工業生產基地配套建筑的地源熱泵空調設計特點，包括主機設備選型，末端系統設計，埋管設計，經濟性比較等，為類似工程提高設計參考。

關鍵詞：地源熱泵 熱回收 埋管換熱器 經濟比較

1. 工程概況

本項目位于武漢市新洲陽邏經濟開發區，總用地面積358畝，凈用地面積206500㎡，折合310畝。建筑工程主要分為三部分：⑴生產廠房6棟，總建筑面積18500㎡；⑵生產輔助用房1棟，建筑面積340㎡；⑶辦公、生活設施4棟：綜合辦公大樓1棟，建筑面積3000㎡，職工食堂1棟，建筑面積600㎡，職工宿舍2棟，建筑面積1400㎡。

2. 設計參數及冷熱負荷

本項目空調系統設計范圍為：職工宿舍，職工食堂，綜合辦公大樓。同時空調系統采用熱回收供應生活用熱水熱源。

3. 空調系統設計

3.1 空調冷熱源

本項目空調系統采用地源熱泵空調系統，地源熱泵是目前正在推廣的節能環保空調系統形式，響應國家節能環保政策。

選用2臺地源熱泵機組，其中一臺為標準型，制冷量為475KW，另外一臺為全熱回收型，制冷量為150KW。夏季優先使用全熱回收型主機制備宿舍生活用水，冬季由全熱回收型主機制備生活用水。

3.2 土壤換熱器計算

本系統埋管式土壤源熱泵系統，也稱土壤耦合式熱泵系統。該系統是以水作為冷熱量載體，水在埋于土壤中的換熱管道內與熱泵機組間循環流動，實現機組與大地土壤之間的熱量交換。冬季循環水通過埋在土壤中的高密度聚乙烯管環路，從土壤中吸收熱量，使循環水溫度升高，供給地源熱泵機組。夏季循環水通過地埋管將熱量排放到土壤中，使循環水溫度降低供給地源熱泵機組。通過地源熱泵機組給室內供冷、供熱。

（1）冬夏季地下換熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤吸收的熱量。系統夏季的排熱量和冬季的吸熱量如下：

（2）確定豎井總長度

根據地源熱泵巖土熱物性測試技術報告，土壤換熱器夏季每米放熱量按35.1w/m，冬季按20.3w/m，計算冬、夏季地埋管系統豎井總長度為：

（3）確定豎井數目及間距

根據上述計算可知，夏季制冷豎井長度要大于冬季供暖的豎井總長，按夏季制冷豎井長度來確定打孔數目。

按照常規地質情況考慮，設計為單U孔，單孔有效深度設計為65m，，孔徑110-130mm，孔間距控制在4m左右，則該項目埋管孔數及占地面積如下：

（4）埋管選型

為保證地下埋管的安全應用和使用壽命，埋管管材選用型號PE100、管徑DN32、壁厚3mm、耐壓1.6MPa。埋地U型管U型彎頭采用電融焊接，確保管道接頭的連接強度和焊接質量。

埋管回填材料影響埋管耦合換熱器的換熱效率和使用壽命。本系統設計采用一部分沙石回填和一部分混凝土等混合配比材料回填，采用混合配比材料不僅增大埋管換熱系數而且還能起到保護地下埋管管道的作用。

3.3 空調末端系統

本工程所有室內末端采用風機盤管+空氣處理機組+新風空氣處理機組。

生活熱水采用主機熱回收制備，在主機與衛生熱水箱之間設置熱水循環泵，當熱水溫度低于設定溫度時，主機和水泵啟動，循環加熱衛生熱水，當熱水溫度到達設定溫度時，主機停止加熱，熱水泵停止運行。

室內末端采用風機盤管+空氣處理機組+新風空氣處理機組，通過方形散流器將氣流送到人員活動區域。空調水系統采用同程式機械閉式循環系統，熱冷工況供回水為7/12℃，制熱工況供回水為50/45℃。

空調水系統采用同程式機械閉式循環系統，同一個環路之間空調設備全部平衡，對于不同環路之間不平衡采用靜態平衡閥進行平衡。

地源熱泵地埋管水系統亦采用同程式機械閉式循環系統，并設集分水器使之達到水力平衡。

4. 經濟性比較

4.1 空調運行費用比較

由上述計算可知，水源熱泵空調系統比常規空調系統年運行費用節省72233元，約26%（以常規空調系統年運行費用為基準）。

4.2 空調系統投資比較

可見，地源熱泵空調系統造價稍高普通空調系統，但節能效果明顯，若申請節能補助費用，則地源熱泵空調系統高出常規的空調系統的費用5年內即可收回。

5.地源熱泵空調系統優點

（1）屬可再生利用的能源技術

地源熱泵是利用地下土壤中所儲藏的太陽能作為冷熱源進行能量轉換。而地球本身是一個巨大的動態能量平衡系統。收集47%的太陽輻射能，因此，可以不斷的利用儲存太陽能（地能），所以，地源熱泵技術是清潔的可再生利用的能源技術。

（2）高效節能

由于地源熱泵機組可利用的地下溫度恒定，武漢地區土壤溫度在16-18℃左右，因此冬季機組蒸發溫度高，夏季冷凝溫度低。因此，能效比會比普通風冷熱泵型機組和家用分體有極大的提高，全年運行費用會有很大程度的節省。

（3）管理費用低

由于地源熱泵機組采用的是水-水式機組，機型穩定，正常使用壽命達20年以上。加上除水泵外，不需任何輔機，而常規方式中風冷熱泵則出現故障率較高，家用分體空調則存在漏氟、維修點多等隱患。因此在管理費用上地源熱泵具有極低的花費。

（4）對環境的影響

由于地源熱泵機組系統不需鍋爐，沒有任何室外機。由于沒有冷卻塔和室外機，對相應的冷卻塔、室外機噪音、濺水而引起的各類污染及空調行業一直為之頭疼的"軍團病菌"感染均不存在了。加上機組在封閉機房內，噪音低，不影響周邊的寧靜環境和視覺美觀。

（5）節能環保

本工程使用地源熱泵空調系統，除地源熱泵機組使用380V電源外，不使用其他能源介質。空調系統使用可再生利用的能源技術，對環境無任何污染和破壞。

6.結語

地源熱泵系統屬可再生利用的能源技術，響應國家節能號召，系統經濟性好，應用于工業項目中采用熱回收機組可制得生活熱水，節省該部分投資，并在工業項目中實現零排放，復活國家環保政策。因此，地源熱泵系統應在工業項目中大量推廣使用。