江蘇某工程地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計分析

盧 勇

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215021）

一、引言

環(huán)境污染和能源危機已成為當今社會的兩大難題，如何在享受資源的同時付出最少的代價逐漸成為人類的共識，在這種背景下，以環(huán)保和健康為主要特征的綠色建筑應(yīng)運而生。盡可能少地消耗能源為建筑物創(chuàng)造舒適環(huán)境已經(jīng)成為空調(diào)的發(fā)展方向，開發(fā)利用天然的冷、熱源能夠為空調(diào)帶來節(jié)能和環(huán)保雙重效益，該技術(shù)越來越受到人們的重視。地下土壤是一個巨大的天然資源，其熱惰性極大，全年的溫度波動很小，一般說來，埋藏于地表20m以下的土壤可常年維持在該地區(qū)年平均溫度左右，是一種理想的天然冷熱源。

地源一詞是從英文“ground source”翻譯而來，它包括所有地下資源的含義。但在空調(diào)業(yè)內(nèi)，目前僅指地殼表層（小于400米）范圍內(nèi)的低溫?zé)豳Y源，它的熱源主要來自太陽能，極少能量來自地球內(nèi)部的地?zé)崮?。地源熱泵的技術(shù)思路則是以少量高品位能源（電能），實現(xiàn)低品位熱能向高品位轉(zhuǎn)移。地源介質(zhì)在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地源介質(zhì)中的熱量“吸取”出來，提高循環(huán)介質(zhì)溫度后，供人采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地源介質(zhì)中去，由地源介質(zhì)將其儲存。機組提取地埋管系統(tǒng)循環(huán)水的低位能量并將其轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶荒芰浚缓筝斔徒o冷暖水循環(huán)系統(tǒng)(用戶末端)。

在未來幾年中，中國面臨著巨大的能源壓力。中國經(jīng)濟在保持較高速度增長的同時，必須考慮環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展問題。1995年以來，經(jīng)過十多年的市場導(dǎo)入，全國十幾個省市有近百家企業(yè)在著手開發(fā)地源熱泵項目，有近2 000個項目完工起到了示范效應(yīng)，中國建筑地源熱泵市場已經(jīng)開始啟動并走向成熟和大量使用期。

二、設(shè)計分析

（一）工程概況

該工程為江蘇某信息城二期，共分成三部分，其中綜合樓建筑面積21 000平方，夏季空調(diào)冷負荷：2 800KW，空調(diào)冷指標：135w/m2，冬季空調(diào)負荷：1 700KW，空調(diào)熱指標：80w/m2；C1—C4 單元空調(diào)面積為22 167平方，夏季冷負荷：3 990KW，單位空調(diào)面積冷負荷≥180 w/m2，冬季空調(diào)負荷：2 217KW，單位空調(diào)面積熱負荷≥100 w/m2；C5—C9單元空調(diào)面積：24 762平方，夏季空調(diào)冷負荷：4 457KW，單位空調(diào)面積冷負荷≥180 w/m2，冬季空調(diào)負荷：2 476KW單位空調(diào)面積熱負荷≥100 w/m2。中央空調(diào)準備采用地源形式加冷水機組，土壤源地源熱泵系統(tǒng)主要能滿足冬季的制熱及熱水要求，冷卻塔系統(tǒng)用于夏季輔助制冷。

（二）設(shè)計依據(jù)

設(shè)計依據(jù)分別為：《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GBJ19-87）、《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB500-45-95）、《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)制圖標準》（GBJ114-88）、《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GBJ16-87）、《建筑給水排水及采暖工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB50242-2002）、《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB50243-2002）、《人民防空工程設(shè)計防火規(guī)范》（GBJ98-87）、《實用空調(diào)設(shè)計手冊》以及業(yè)主提供的圖紙及資料等。

（三）空調(diào)設(shè)計參數(shù)

1.室外空氣計算參數(shù)

位置：江蘇地區(qū)。

夏季：空調(diào)計算干球溫度34℃，空調(diào)計算濕球溫度28.2℃，大氣壓力996kPa，室外平均風(fēng)速：3.2m/s。

冬季：空調(diào)計算干球溫度-4℃，大氣壓力1018kPa，室外平均風(fēng)速：3.1m/s。

2.室內(nèi)空氣計算參數(shù)（見表1）

表1 室內(nèi)空氣計算參數(shù)

（四）空調(diào)方案設(shè)計

樹立以系統(tǒng)設(shè)計為本的設(shè)計思想，用長期和綜合的眼光分析問題，為用戶提供可靠的地源熱泵系統(tǒng)，劃分空調(diào)系統(tǒng)和確定空調(diào)方式，結(jié)合實際投資預(yù)算，擬采用圖1所示方案。

圖1 混合式地源熱泵系統(tǒng)示意圖

空調(diào)主機采用螺桿式水地源熱泵機組；土壤源地源熱泵系統(tǒng)主要能滿足冬季的制熱及熱水要求，冷卻塔系統(tǒng)用于夏季輔助制冷。

室外換熱系統(tǒng)采用閉垂直式地埋管換熱系統(tǒng)，室內(nèi)系統(tǒng)采用組合式空調(diào)機組及嵌入式風(fēng)盤。

綜合樓夏季空調(diào)冷負荷：2 800KW，冬季空調(diào)負荷：1 700KW，C1—C4空調(diào)夏季空調(diào)冷負荷：3 990KW，冬季空調(diào)負荷：2 217KW。C5—C9夏季空調(diào)冷負荷：4 457KW，冬季空調(diào)負荷：2 476KW。把三幢樓做成一個大系統(tǒng)，冬季空調(diào)總負荷為6 393KW，同時使用率取90%，裝機負荷為6 393KW×90%=5 754 KW。選AWSH1933F螺桿地源熱泵機組3臺，單臺熱負荷2 004 KW，合計熱負荷6 012 KW，可滿足使用要求。三幢樓總冷負荷為11 247KW，配置3臺AWSH1933F螺桿地源熱泵機組，總制冷量為2 043 KW×3=6 129KW，冷負荷還少11 247KW-6 129KW=5 118KW。由于是綜合樓及辦公樓組成，同時使用率取75%，冷水機組裝機負荷為5 118KW×75%=3 839KW，配置2臺AWSA1933FM螺桿式冷水機組，總制冷量為1 956KW×2=3 912KW。

（五）土壤耦合器設(shè)計

由全年地埋管系統(tǒng)熱平衡可知，全年總放熱量要高于總吸熱量，經(jīng)過長期運行，周圍土壤溫度升高，換熱器能力減弱，影響系統(tǒng)性能和運行。根據(jù)空調(diào)負荷及地源熱泵設(shè)計要點，取冷和取熱必須達到冷熱平衡，故以冬季熱負荷最大吸熱量作為地埋管換熱系統(tǒng)打井數(shù)量的一個標準，夏季空調(diào)冷負荷不足部分仍然由冷卻塔承擔(dān)。這樣既節(jié)約了初投資，又能常年維持土壤恒溫。

根據(jù)施工經(jīng)驗及本工程附近工程的換熱報告，每米井深單U型管垂直埋管，夏季向大地放熱量為60w/m井深，冬季從大地吸熱量為48w/m井深。

實際打井數(shù)量為：2 004×3÷48÷0.12=1 043.75（個），取整數(shù)為1 044個（每口井120米深）。

通過土壤耦合器總的放熱量為：1 044×60×0.12=7 516KW，而夏季總的冷負荷為9 780KW，還差2 264 KW熱量，可以通過冷卻塔放熱，夏季當溫度超過設(shè)定值t時，啟動冷卻塔，系統(tǒng)配置2臺300噸冷卻塔。

（六）設(shè)計說明

本設(shè)計空調(diào)系統(tǒng)主要由地源熱泵主機夏季制冷模式、冬季制熱模式提供冷熱源。

1.夏季制冷模式

夏季通過地源熱泵主機將地下恒溫帶18℃左右的低品位地?zé)崮芴嵘?℃左右的高品位冷源，然后通過水泵將載有高品位冷量的冷凍水輸送到布置在各個功能區(qū)域的風(fēng)機盤管，通過空調(diào)風(fēng)口布置及氣流組織設(shè)計保證每個功能區(qū)域持續(xù)保持適宜溫度。

2.冬季制熱模式

冬季則通過地源熱泵主機將地下恒溫帶14℃左右的夏季蓄存的能源提升成45℃左右的高品位熱源，然后通過水泵將載有高品位熱量的熱水輸送到布置在各個功能區(qū)域的地?zé)峁苈?，實現(xiàn)每個區(qū)域持續(xù)保持適宜溫度。

三、結(jié)語

地源熱泵系統(tǒng)利用地殼表層低溫?zé)豳Y源作為空調(diào)機組的制冷制熱的冷熱源，具有以下優(yōu)點：屬可再生能源利用技術(shù)，高效節(jié)能，運行穩(wěn)定可靠，環(huán)境效益顯著。在地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計中采用夏季冷卻塔系統(tǒng)輔助制冷，可以達到真正節(jié)能環(huán)保的目的，常年維持土壤恒溫，保護地下生態(tài)平衡。相信在不久的未來，該系統(tǒng)前景無限。

[1]朱立.空氣調(diào)節(jié)技術(shù)[M].北京:高等教育出版社，2008.

[2]余躍進.中央空調(diào)設(shè)計[M].南京:東南大學(xué)出版社，2007.

[3]地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)培訓(xùn)教材[M].廣州中宇冷氣科技發(fā)展有限公司，2006.

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