徐州某別墅地源熱泵系統方案設計

高喜玲　商利斌　相里梅琴

摘 要：文章以徐州某別墅為例，從空調設備選型、地埋管換熱系統設計、地板輻射采暖系統設計等方面介紹了地源熱泵系統在別墅項目中的應用，以期為該地區類似項目提供參考價值。

關鍵詞：別墅；地源熱泵；地埋管換熱系統；地板輻射采暖系統

中圖分類號：TK529 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0103-03

引言

隨著我國地源熱泵技術的發展，人們已經逐步認識這種新型、環保、節能的系統，能充分利用蘊藏于土壤中的能源，不但可以實現制冷、制熱，給建筑創造溫暖舒適的環境，還因其不向外界排放廢水、廢氣、廢渣，而被認為是一種最理想的“綠色空調”。目前正逐步推廣應用到商業、辦公、住宅等建設項目中。

1 空調設備選擇

1.1 室外主機選型

該空調工程位于徐州某別墅區，地下室一層，地上三層，空調面積約為158m2，主要由客房、客廳、臥室等房間組成。設計采用地源熱泵空調系統，冬、夏季采用與土壤換熱的方式進行制熱或制冷，冬季氣溫過低時開啟輔助電加熱進行補充。

室外機組使用特靈三聯供機組：HWWD25地源熱泵機組，供空調和地板采暖系統，其制冷量為26kW，室內設計總冷負荷約為33.35kW，系統同時使用系數為70%，設計采用節能環保的地源熱泵系統，主機相關參數見表1。

1.2 風機盤管選擇

房間空調末端采用臥式暗裝風機盤管機組，風機盤管的選型是在考慮了房間的風量、冷量、機外余壓和噪聲等要求后，初步確定其型號與規格，本工程選擇了特靈風機盤管，如表2所示。

2 地埋管換熱系統設計

2.1 地質材料分析

本工程位于徐州，根據對周邊建筑物的地質勘探，徐州地區80m土壤垂直分布基本上可劃分為4層：粘土層、淤泥層、粉質粘土層和粉沙層。該地區土層較軟且厚度大，濕度以濕、飽和為主，含水層主要為第四系孔隙承壓水層，如在粉砂、礫砂，中砂層，水質為淡水。本區域土壤傳導率為5.5W/m左右。

（1）本工程空調冷負荷33.35kW；

（2）本工程地下換熱器設計夏季制冷進出水為30/35℃，冬季制熱進出水為15/10℃；采用豎直地埋管單U形式。

2.2 地埋管計算步驟

2.2.1 確定地下換熱器的埋管形式

豎直埋管和水平埋管是地源熱泵系統常用的兩種地下埋管形式，挖掘成本、土壤類別、場地大小等都會影響到埋管形式的選擇。水平埋管的特點主要是埋深較淺，施工時占用的場地較大，如果施工場地足夠大且無堅硬巖石，選擇水平埋管形式較經濟。垂直埋管的特點主要是節約用地面積，因此適用于場地面積有限或有堅硬巖石的地區，且垂直埋管的換熱性能比水平埋管要高，所以一般會優先考慮采用垂直埋管的形式。垂直埋管常用的方式有U型、套管型、單管型三種，其中以單U型管的應用最為常見，本工程設計采用單U型管地下換熱器。

2.2.2 確定管路連接方式

地下換熱器的管路連接方式分為串聯和并聯，串聯系統只有一個流體通道，萬一管路發生損壞將影響整個系統的運行，而并聯系統中流體在管路中至少有兩個通道，大大提高了系統的可靠性。采用串聯或并聯主要還是取決于安裝成本的大小。串聯系統所需管道管徑較大，大管徑管道單價也高，安裝的勞動力成本也較大；并聯系統管徑較小，單價相對較低，且布置成同程式有利于并聯環路之間的壓力平衡，故本工程的地下換熱器采用U型管并聯同程式系統。

2.2.3 選擇管材

地源熱泵的室外管道部分的作用主要是從土壤中吸取熱量并傳給機組的土壤換熱器環路，一旦將換熱器埋入地下，就很難維修或更換，這就要求埋入地下的管材化學穩定性更強并耐腐蝕。目前常用的是聚乙烯（PE）管材，PE為惰性材料，除極少數強氧化劑外，可耐多種化學介質的侵蝕；采用電熱熔連接，其接口強度高于管材本體，無泄露；PE管斷裂伸長率一般超過500%，對管基不均勻沉降的適應能力非常強，抗震性能優良，高韌性。本設計選取聚乙烯（PE）管，管徑選取De32 mm。

2.2.4 確定豎井埋管管長

豎直埋管的長度應根據工程的地質情況（如地下溫度、傳熱系數等）、場地大小及使用的鉆機性能等情況綜合考慮。在實際工程中，可以利用管材“換熱能力”來計算管長。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長的換熱量，一般垂直埋管為50～80W/m（井深），或25～40W/m（管長），水平埋管為20～40W/m（管長）左右。

設計時可根據徐州地區來確定：一般井深取75～90m之間。

2.2.5 確定豎井數目

豎井間距：工程較小，埋管單排布置，地源熱泵間歇運行，埋管間距可取4.5m；若連續運行（或停機時間較少）建議取5～6m，本工程管間距取4.5m。

室外地埋管設計如圖3所示。

3 地板輻射采暖系統設計

本設計選用回轉型地板輻射形式，選擇聚乙烯管材（PEX-A），De16，埋管間距150mm，采用濕式安裝法，使混凝土層熱量分布均勻，減少出現局部過熱或過冷的情況。

本工程選用了一臺三位一體機組HWWD25進行建筑物的制冷、制熱及制取生活熱水。由于地源熱泵系統利用淺層地能制造低溫熱水，其出水溫度一般在50℃左右，而地板輻射采暖所需水溫也與此溫度接近，因此地源熱泵技術與低溫熱水地板輻射采暖系統可以聯合運行，達到節能的目的。

夏季：可設置一個儲熱水箱，利用空調制冷產生的熱量將水箱的水加熱后作為生活熱水，一般情況下空調連續運行4小時，就可以把一個400L水箱的水從10℃加熱到50℃。

冬季：空調采暖生活熱水三位一體熱泵機組可以實現在制取低溫熱水的同時，提供地板輻射采暖所需的低溫熱水，不增大設備，也不需追加投資，而且兩個系統各自獨立，不會造成交叉污染。熱泵機組將地下的熱量不斷轉移至室內的過程中，以35℃以上熱風的形式向室內供暖，為房間創造舒適的生活環境。

地板輻射采暖系統設計如圖4所示。

4 結束語

本文通過對地源熱泵系統在別墅項目中的應用，分析了其設備選型及方案設計過程。地源熱泵系統因減少污染排放，提高城市環境質量，緩解能源緊張問題等優勢，也得到了國家政策的支持。因此，隨著地源熱泵系統設計、施工、運行等各方面的逐步完善，將會給人們提供更加舒適的居住環境。

參考文獻：

[1]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[2]王子介.低溫輻射供暖與輻射供冷[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]王紅霞，崔璐.某大型別墅區土壤源熱泵空調系統設計[J].建筑熱能通風空調，2012，31（6）：101-102.

[4]戴銀寶.江陰某別墅地源熱泵空調系統設計與總結[J].制冷，

2016，35（1）：53-57.

[5]南京市建筑設計研究院有限責任公司.地源熱泵系統工程技術規程DGJ32/TJ89-2009[S].南京：鳳凰出版傳媒集團江蘇科學技術出版社，2010.

[6]江蘇省建筑設計研究院有限公司.公共建筑節能設計標準DGJ32/J96-2010[S].南京：鳳凰出版傳媒集團江蘇科學技術出版社，2010.endprint