摘要：地源熱泵是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源（包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能裝置。地源熱泵作為新型可再生能源，很好地滿足了節(jié)能的需求，具有供能穩(wěn)定可靠、不受燃料短缺和價(jià)格波動(dòng)影響等特殊優(yōu)勢(shì)被廣泛運(yùn)用。本文通過地源熱泵中央空調(diào)設(shè)計(jì)實(shí)踐，從地源熱泵原理、負(fù)荷設(shè)計(jì)、空調(diào)設(shè)計(jì)方案等幾個(gè)方面進(jìn)行探析。
關(guān)鍵詞：地埋熱泵；中央空調(diào)系統(tǒng)；技術(shù)
一、前言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們生活水平提高，有效利用廣泛存在的低位能源，節(jié)約有限的高位能源的熱泵技術(shù)越來越引起人們的高度重視。地源熱泵是一種新的環(huán)保節(jié)能的空調(diào)方式和技術(shù)，由于其節(jié)能、無污染、效率高等特點(diǎn)，剛一出現(xiàn)就收到業(yè)界的廣泛關(guān)注得到迅速發(fā)展。
二、工程應(yīng)用實(shí)例
1、工程概況
某綜合試驗(yàn)樓主體建筑為地下18層，設(shè)地下室一層，其中地下室車庫(kù)按六級(jí)平戰(zhàn)結(jié)合人防工程設(shè)計(jì)。該建筑總建筑面積為26835.76m2，其中地下室建筑面積24399.28m2，地下室建筑面積2436.48m2，建筑高度為73.8m。
2、空調(diào)室內(nèi)外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)
2.1 空調(diào)室外設(shè)計(jì)參數(shù)
�。�1）空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算（干球）溫度33.2℃，空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算濕球溫度26.4℃，空氣調(diào)節(jié)日平均溫度28.6℃，室外計(jì)算相對(duì)濕度最熱月平均78%，室外平均風(fēng)速1.9m/s，大氣壓力98.86kPa夏季。
（2）空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算（干球）溫度-12℃，通風(fēng)室外計(jì)算（干球）溫度-9℃，最低日平均溫度-15.9℃，室外計(jì)算相對(duì)濕度最冷月平均45%，室外平均風(fēng)速2.8m/s，大氣壓力102.04kPa冬季。
3、空調(diào)設(shè)計(jì)方案
3.1 冷熱源選擇
本綜合服務(wù)樓冬夏季設(shè)計(jì)計(jì)算冷熱負(fù)荷見表1。
根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算冷熱負(fù)荷本工程共設(shè)3臺(tái)冷水機(jī)組（U1～U3），由于項(xiàng)目冷熱需求的不平衡性，因此以冬季制熱工況負(fù)荷選定2 臺(tái)土壤源熱泵機(jī)組（U1、U2），設(shè)計(jì)工況下單臺(tái)機(jī)組制熱量為804kW，供冷量為835kW。土壤源熱泵夏季供冷不足部分另設(shè)1 臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組（U3），采用冷卻塔散熱，供冷量為835kW。冷水機(jī)組具體參數(shù)見表2。
3.2 中央空調(diào)機(jī)房設(shè)計(jì)
熱泵機(jī)組及配套設(shè)備設(shè)在再有地下室可利用的時(shí)候，一般機(jī)房不會(huì)放在一層。機(jī)房集、分水器各一臺(tái)，地埋各系統(tǒng)集、分水器兩臺(tái)，機(jī)房集、分水器主管與機(jī)房管道連接，支管與地埋系統(tǒng)集、分水器主管連接，地埋系統(tǒng)集、分水器支管與地埋管系統(tǒng)支管連接。
3，3中央空調(diào)冷凍水的定壓及補(bǔ)水
供熱空調(diào)系統(tǒng)定壓補(bǔ)水方式主要有膨脹水箱定壓補(bǔ)水，補(bǔ)水泵定壓補(bǔ)水，氣體定壓罐結(jié)合補(bǔ)水泵定壓補(bǔ)水等。其中膨脹水箱定壓補(bǔ)水是最經(jīng)濟(jì)最簡(jiǎn)單的方式，所以現(xiàn)在在民用建筑中大量使用，但是膨脹水箱必須設(shè)在系統(tǒng)的最高點(diǎn)，安裝困難，管理不方便，使高位水箱的應(yīng)用受到了限制。利用補(bǔ)水泵連續(xù)補(bǔ)水定壓的系統(tǒng)，其定壓裝置是由補(bǔ)水箱、補(bǔ)水泵及調(diào)節(jié)器組成，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，通過壓力調(diào)節(jié)器作用，使補(bǔ)水泵連續(xù)補(bǔ)給的水量與系統(tǒng)泄漏量相適應(yīng)，從而維持系統(tǒng)動(dòng)水壓曲線的位置，但這種定壓方式，一般需連續(xù)運(yùn)行，耗電大。利用壓力罐結(jié)合補(bǔ)水泵的定壓補(bǔ)水裝置在中央空調(diào)中被大量使用，它主要由補(bǔ)水泵、隔膜式氣壓水罐、安全閥、電接點(diǎn)壓力表和電磁閥組成，它的工作原理如下：當(dāng)系統(tǒng)準(zhǔn)備運(yùn)行時(shí)，開啟補(bǔ)水泵，水被送至管網(wǎng)的同時(shí)也被送至壓力罐的水室，水室擴(kuò)大并將罐內(nèi)的氣體壓縮，罐內(nèi)的壓力隨之升高，當(dāng)壓力升高至最高工作壓力時(shí)（系統(tǒng)最高點(diǎn)和定壓點(diǎn)之間的高差加上3～5mH2O），水泵停轉(zhuǎn)，系統(tǒng)已充滿水，利用壓力罐內(nèi)的壓力來維持管網(wǎng)的壓力，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于系統(tǒng)漏水或水溫改變導(dǎo)致系統(tǒng)水體積減少時(shí)，氣壓罐內(nèi)的水室縮小，罐內(nèi)氣體膨脹，壓力降低，當(dāng)壓力降低至系統(tǒng)最低工作壓力時(shí)（系統(tǒng)最高點(diǎn)和定壓點(diǎn)之間的高差加上1mH2O），水泵開啟，系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水。裝置中的壓力表和電磁閥均是安全保護(hù)裝置，當(dāng)系統(tǒng)超壓時(shí)，可通過壓力表和電磁閥將多余的水排出系統(tǒng)。氣壓罐結(jié)合補(bǔ)水泵的定壓補(bǔ)水裝置的設(shè)備選型計(jì)算過程如下：
1.補(bǔ)水泵的選擇
系統(tǒng)內(nèi)的水，當(dāng)為熱水或冷熱兩用時(shí)，應(yīng)采用軟化水，當(dāng)軟化水壓力不能直接供入水箱時(shí)，應(yīng)另設(shè)水泵補(bǔ)水，補(bǔ)水泵的自動(dòng)補(bǔ)水量可按系統(tǒng)循環(huán)水量的1%考慮，事故補(bǔ)水按系統(tǒng)循環(huán)水量的3%考慮，直接補(bǔ)入循環(huán)水泵的入口處，補(bǔ)水泵的揚(yáng)程應(yīng)按補(bǔ)水點(diǎn)與系統(tǒng)最高點(diǎn)的高差加上3～5mH2O的富裕量考慮。
2.壓力罐的選擇
氣壓罐的最高工作壓力應(yīng)大于補(bǔ)水泵的揚(yáng)程。
罐體的容積應(yīng)按罐體內(nèi)的水容積選擇，罐體內(nèi)的水容積應(yīng)按膨脹水箱的容積選擇，即罐內(nèi)的水容積應(yīng)能夠容納水系統(tǒng)的膨脹量。
式中 V――膨脹罐體內(nèi)的水容積（L）
――系統(tǒng)在高溫時(shí)水的密度（Kg/L），熱水時(shí)，為熱水供水的溫度，冷水時(shí)，為系統(tǒng)運(yùn)行前水的最高溫度，可取35℃；
――系統(tǒng)在低溫時(shí)水的密度（Kg/L），熱水時(shí)，可取20℃；冷水時(shí)，為冷水供水溫度，可取35℃；
――系統(tǒng)內(nèi)單位水容積（L /kW）之和，與供回水溫差，水通路的長(zhǎng)短等有關(guān)，見下表所示；
Q――系統(tǒng)的總能量或總熱量（kW）；
3.3 空調(diào)水系統(tǒng)與末端裝置
中央空調(diào)系統(tǒng)可以分為三類，中央空調(diào)水系統(tǒng)、氟系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)。水系統(tǒng)中央空調(diào)以水為冷媒，比傳統(tǒng)氟系統(tǒng)空調(diào)更舒適。水系統(tǒng)中央空調(diào)一般用于大型建筑或大戶型住宅和別墅，主要產(chǎn)自美系品牌，以高端住宅為主。
4、地埋管換熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
地下埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其選擇的形式是否合理，設(shè)計(jì)的是否準(zhǔn)確，關(guān)系到整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)能否滿意要求和正常使用，土壤的初始溫度、類型、傳熱特性以及密度和濕度等參數(shù)是影響埋管換熱器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，因此做好施工場(chǎng)地的地層勘察和土壤熱物性測(cè)試工作非常重要。同時(shí)，建筑物全年累計(jì)的冷熱負(fù)荷通常是不均衡的。因此在埋管換熱器的設(shè)計(jì)中，必須要確定的是依據(jù)冬季熱負(fù)荷還是夏季的冷負(fù)荷來計(jì)算換熱器長(zhǎng)度。另外，建筑物的冷熱負(fù)荷都是隨著環(huán)境溫度的變化而變化的，所以運(yùn)用動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算軟件來分析建筑物的全年逐時(shí)負(fù)荷非常重要。 根據(jù)本區(qū)域的地質(zhì)資料表明，工程場(chǎng)區(qū)松散沉積層巖性主要為粘性土、砂土（細(xì)沙、粉砂）和粉土，且分布層位較穩(wěn)定，可鉆行較好。在工程場(chǎng)區(qū)130m 深度范圍內(nèi)，賦存多層地下水，存在較強(qiáng)的地下水滲流作用，有利于地埋管換熱器的傳熱并可減弱地埋管換熱器吸放熱不平衡現(xiàn)象。本工程130m 地層導(dǎo)熱系數(shù)和建議取值如表3所示。
4.1 換熱器換熱量的選取
地源熱泵系統(tǒng)最大釋熱量與建筑設(shè)計(jì)冷負(fù)荷相對(duì)應(yīng)。包括：各空調(diào)分區(qū)內(nèi)地源熱泵機(jī)組釋放到循環(huán)水中的熱量（空調(diào)負(fù)荷和機(jī)組壓縮機(jī)耗功）循環(huán)水在輸送過程中得到的熱量、水泵釋放到循環(huán)水中的熱量。將上述三項(xiàng)熱量相加就可得到供冷工況下釋放到循環(huán)水中的總熱量。即：
最大釋熱量=Σ[空調(diào)分區(qū)冷負(fù)荷×（1+1/EER]+Σ輸送過程得熱量+Σ水泵釋熱量
地源熱泵系統(tǒng)最大吸熱量與建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷相對(duì)應(yīng)。包括：各空調(diào)分區(qū)內(nèi)地源熱泵機(jī)組從循環(huán)水中的吸熱量（空調(diào)熱負(fù)荷，并扣除機(jī)組壓縮機(jī)耗功）循環(huán)水在輸送過程中失去的熱量并扣除水泵釋放到循環(huán)水中的熱量。將上述前兩項(xiàng)熱量相加并扣除第三項(xiàng)就可得到供熱工況下循環(huán)水的總吸熱量。即：
最大吸熱量=Σ[空調(diào)分區(qū)熱負(fù)荷×（1・1/COP）]+Σ輸送過程失熱量・Σ水泵釋熱量
根據(jù)公式（1）和（2）可以得出最大釋熱量為2239kW，最大吸熱量為1233kW。
4.2 換熱井?dāng)?shù)的確定
�。�2）
其中：Q 為最大釋熱量或最大吸熱量，q 為夏季或冬季單井換熱能力，H 為單井井深。本工程以夏季最大釋熱量為計(jì)算基準(zhǔn)，故室外地源井共需300口，井深130m，采用雙U 管，管道規(guī)格為D32×3.0PE，豎井管道承壓1.6MPa，地面下水平管道（二級(jí)分集水器水平連接管）承壓1.0MPa，井間距為4.5m×4.5m。
4.3 地埋管管徑的選擇
選擇地埋管管徑時(shí)必須滿足幾個(gè)原則：一是管道要大到足夠保持泵最小輸送功率，減少運(yùn)行費(fèi)用；二是管道要小到足夠使管道內(nèi)保持紊流以保證循環(huán)液體和管內(nèi)壁之間的傳熱；三是系統(tǒng)環(huán)路的長(zhǎng)度不要過長(zhǎng)。地埋管的管徑選擇要考慮到按U 型管的所需長(zhǎng)度，成盤供應(yīng)，以減少埋管接頭數(shù)量，所需管件能低價(jià)供應(yīng)，降低工程成本。
4.4 地埋管管材的選擇
從眾多工程項(xiàng)目施工中得到：地埋管的管徑在Ф20mm～Ф50mm時(shí)，以PE80-SDR11-Ф32（GB/T13663-2000）為最佳。在換熱器的換熱量小的工程中，在保證質(zhì)量的條件下，盡量選用薄壁管，以提高換熱效果。孔深100m以內(nèi)用壁厚為2.3mm的聚乙烯管；孔深300m以內(nèi)用壁厚為3.0mm的聚乙烯管。影響地耦管長(zhǎng)度的因素有換熱器的換熱量、管的材質(zhì)、土壤的結(jié)構(gòu)、埋管的形式以及連接方法等。
4.5 地埋管換熱器的連接
在實(shí)際工程中，地埋循環(huán)管多為并聯(lián)連接到大直徑的集管上的，連接時(shí)均采用同程回流式系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，流體有足夠的流量流過各并聯(lián)支埋管并且流程相同，因此，各埋管支路的流動(dòng)阻力、流體流量和換熱量比較均勻。
在本工程中，采用多個(gè)分支同程回流系統(tǒng)，再并聯(lián)成總同程回流系統(tǒng)，每個(gè)分支系統(tǒng)均有管道平衡井。
5、系統(tǒng)冷熱源方案的選擇與分析
該綜合服務(wù)樓工作時(shí)間為8：00-18：00，在末端裝置確定的情況下，各對(duì)比方案之間的經(jīng)濟(jì)性差異主要是系統(tǒng)冷熱源不同引起的，冷熱源一般是集中設(shè)置。根據(jù)我國(guó)能源現(xiàn)狀，確定了幾種常見的冷熱源方案，并與土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行分析比較。
方案1：水冷冷水機(jī)組+市政供熱；方案2：風(fēng)冷螺桿式熱泵機(jī)組；方案3：地源熱泵。本文就以上三種方案的技術(shù)特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性進(jìn)行了分析比較，用以確定適合本項(xiàng)目的空調(diào)方案。
5.1 初投資比較
各方案初投資見表4。由表4 可知，方案3 地源熱泵系統(tǒng)的初投資最大，其次是方案2，方案1水冷冷水機(jī)組+市政供熱的初投資最小。造成土壤源熱泵系統(tǒng)初投資高于其他系統(tǒng)的主要原因是鉆孔費(fèi)占系統(tǒng)比例較大，約為系統(tǒng)初投資的30%。由此可見，要降低方案3 初投資主要是要降低系統(tǒng)鉆孔費(fèi)用的大小。
5.2 年運(yùn)行費(fèi)用比較
3.管網(wǎng)損失費(fèi)約占總費(fèi)用的5%，維護(hù)費(fèi)為維護(hù)材料費(fèi)和人工費(fèi)。
由表5 可知，方案1 的年運(yùn)行費(fèi)用是最高的，其次是方案2，方案3 的年運(yùn)行費(fèi)用最低。
5.3 投資回收年限的計(jì)算
根據(jù)動(dòng)態(tài)回收期公式：
�。�4）
式中，P′為動(dòng)態(tài)投資回收期；CI 為地源熱泵系統(tǒng)比普通中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)省的電費(fèi)；CO為地源熱泵系統(tǒng)比普通中央空調(diào)系統(tǒng)費(fèi)增加的投資；為基準(zhǔn)收益率，取一年期利率4.14%。
從公式4 和圖2 中可以得出，方案3 同方案1和2比較，采用地源熱泵系統(tǒng)的投資回收期為4.7 或8.5 年。
綜上所述，土壤源熱泵系統(tǒng)雖然由于室外部分比較復(fù)雜，初次投資高于普通空調(diào)系統(tǒng)，但普通空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)高于土壤源熱泵系統(tǒng)，一般4～9年時(shí)間就可以將增加的初次投資收回。普通空調(diào)壽命一般在15年左右，而土壤源熱泵的地下?lián)Q熱器由于采用高強(qiáng)度惰性材料，埋地壽命至少50年。因此，從使用壽命和運(yùn)行費(fèi)用來考慮土壤源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性是高于普通空調(diào)系統(tǒng)的，鑒于機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省和國(guó)家對(duì)節(jié)能環(huán)保工程的政策優(yōu)惠，采用土壤源熱泵系統(tǒng)比較經(jīng)濟(jì)。
三、結(jié)論
近幾年來，大中城市為改善大氣環(huán)境，大力推廣使用包括可再生能源的清潔能源。隨著人們生活水平的提高，建筑物不僅要滿足冬季采暖的要求，而且需要夏季空調(diào)降溫，地源熱泵技術(shù)提供了這一問題的有效解決方案。本項(xiàng)目采用地源熱泵，具有積極的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。從國(guó)家的相關(guān)政策來看，采用地源熱泵技術(shù)也符合國(guó)家大力發(fā)展推行節(jié)能減排的政策。
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