武汉南瑞阳逻基地地源热泵空调系统设计

孙权

摘要：本文介绍了大型工业生产基地配套建筑的地源热泵空调设计特点，包括主机设备选型，末端系统设计，埋管设计，经济性比较等，为类似工程提高设计参考。

关键词：地源热泵 热回收 埋管换热器 经济比较

1. 工程概况

本项目位于武汉市新洲阳逻经济开发区，总用地面积358亩，净用地面积206500㎡，折合310亩。建筑工程主要分为三部分：⑴生产厂房6栋，总建筑面积18500㎡；⑵生产辅助用房1栋，建筑面积340㎡；⑶办公、生活设施4栋：综合办公大楼1栋，建筑面积3000㎡，职工食堂1栋，建筑面积600㎡，职工宿舍2栋，建筑面积1400㎡。

2. 设计参数及冷热负荷

本项目空调系统设计范围为：职工宿舍，职工食堂，综合办公大楼。同时空调系统采用热回收供应生活用热水热源。

3. 空调系统设计

3.1 空调冷热源

本项目空调系统采用地源热泵空调系统，地源热泵是目前正在推广的节能环保空调系统形式，响应国家节能环保政策。

选用2臺地源热泵机组，其中一台为标准型，制冷量为475KW，另外一台为全热回收型，制冷量为150KW。夏季优先使用全热回收型主机制备宿舍生活用水，冬季由全热回收型主机制备生活用水。

3.2 土壤换热器计算

本系统埋管式土壤源热泵系统，也称土壤耦合式热泵系统。该系统是以水作为冷热量载体，水在埋于土壤中的换热管道内与热泵机组间循环流动，实现机组与大地土壤之间的热量交换。冬季循环水通过埋在土壤中的高密度聚乙烯管环路，从土壤中吸收热量，使循环水温度升高，供给地源热泵机组。夏季循环水通过地埋管将热量排放到土壤中，使循环水温度降低供给地源热泵机组。通过地源热泵机组给室内供冷、供热。

（1）冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。系统夏季的排热量和冬季的吸热量如下：

（2）确定竖井总长度

根据地源热泵岩土热物性测试技术报告，土壤换热器夏季每米放热量按35.1w/m，冬季按20.3w/m，计算冬、夏季地埋管系统竖井总长度为：

（3）确定竖井数目及间距

根据上述计算可知，夏季制冷竖井长度要大于冬季供暖的竖井总长，按夏季制冷竖井长度来确定打孔数目。

按照常规地质情况考虑，设计为单U孔，单孔有效深度设计为65m，，孔径110-130mm，孔间距控制在4m左右，则该项目埋管孔数及占地面积如下：

（4）埋管选型

为保证地下埋管的安全应用和使用寿命，埋管管材选用型号PE100、管径DN32、壁厚3mm、耐压1.6MPa。埋地U型管U型弯头采用电融焊接，确保管道接头的连接强度和焊接质量。

埋管回填材料影响埋管耦合换热器的换热效率和使用寿命。本系统设计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仅增大埋管换热系数而且还能起到保护地下埋管管道的作用。

3.3 空调末端系统

本工程所有室内末端采用风机盘管+空气处理机组+新风空气处理机组。

生活热水采用主机热回收制备，在主机与卫生热水箱之间设置热水循环泵，当热水温度低于设定温度时，主机和水泵启动，循环加热卫生热水，当热水温度到达设定温度时，主机停止加热，热水泵停止运行。

室内末端采用风机盘管+空气处理机组+新风空气处理机组，通过方形散流器将气流送到人员活动区域。空调水系统采用同程式机械闭式循环系统，热冷工况供回水为7/12℃，制热工况供回水为50/45℃。

空调水系统采用同程式机械闭式循环系统，同一个环路之间空调设备全部平衡，对于不同环路之间不平衡采用静态平衡阀进行平衡。

地源热泵地埋管水系统亦采用同程式机械闭式循环系统，并设集分水器使之达到水力平衡。

4. 经济性比较

4.1 空调运行费用比较

由上述计算可知，水源热泵空调系统比常规空调系统年运行费用节省72233元，约26%（以常规空调系统年运行费用为基准）。

4.2 空调系统投资比较

可见，地源热泵空调系统造价稍高普通空调系统，但节能效果明显，若申请节能补助费用，则地源热泵空调系统高出常规的空调系统的费用5年内即可收回。

5.地源热泵空调系统优点

（1）属可再生利用的能源技术

地源热泵是利用地下土壤中所储藏的太阳能作为冷热源进行能量转换。而地球本身是一个巨大的动态能量平衡系统。收集47%的太阳辐射能，因此，可以不断的利用储存太阳能（地能），所以，地源热泵技术是清洁的可再生利用的能源技术。

（2）高效节能

由于地源热泵机组可利用的地下温度恒定，武汉地区土壤温度在16-18℃左右，因此冬季机组蒸发温度高，夏季冷凝温度低。因此，能效比会比普通风冷热泵型机组和家用分体有极大的提高，全年运行费用会有很大程度的节省。

（3）管理费用低

由于地源热泵机组采用的是水-水式机组，机型稳定，正常使用寿命达20年以上。加上除水泵外，不需任何辅机，而常规方式中风冷热泵则出现故障率较高，家用分体空调则存在漏氟、维修点多等隐患。因此在管理费用上地源热泵具有极低的花费。

（4）对环境的影响

由于地源热泵机组系统不需锅炉，没有任何室外机。由于没有冷却塔和室外机，对相应的冷却塔、室外机噪音、溅水而引起的各类污染及空调行业一直为之头疼的"军团病菌"感染均不存在了。加上机组在封闭机房内，噪音低，不影响周边的宁静环境和视觉美观。

（5）节能环保

本工程使用地源热泵空调系统，除地源热泵机组使用380V电源外，不使用其他能源介质。空调系统使用可再生利用的能源技术，对环境无任何污染和破坏。

6.结语

地源热泵系统属可再生利用的能源技术，响应国家节能号召，系统经济性好，应用于工业项目中采用热回收机组可制得生活热水，节省该部分投资，并在工业项目中实现零排放，复活国家环保政策。因此，地源热泵系统应在工业项目中大量推广使用。