地源热泵技术在中央空调系统的探析

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能装置。地源热泵作为新型可再生能源，很好地满足了节能的需求，具有供能稳定可靠、不受燃料短缺和价格波动影响等特殊优势被广泛运用。本文通过地源热泵中央空调设计实践，从地源热泵原理、负荷设计、空调设计方案等几个方面进行探析。

一、前言

随着经济的发展以及人们生活水平提高，有效利用广泛存在的低位能源，节约有限的高位能源的热泵技术越来越引起人们的高度重视。地源热泵是一种新的环保节能的空调方式和技术，由于其节能、无污染、效率高等特点，刚一出现就收到业界的广泛关注得到迅速发展。

二、工程应用实例

1、工程概况

某综合试验楼主体建筑为地下18层，设地下室一层，其中地下室车库按六级平战结合人防工程设计。该建筑总建筑面积为26835.76m2，其中地下室建筑面积24399.28m2，地下室建筑面积2436.48m2，建筑高度为73.8m。

2、空调室内外设计计算参数

2.1 空调室外设计参数

（1）空气调节室外计算（干球）温度33.2℃，空气调节室外计算湿球温度26.4℃，空气调节日平均温度28.6℃，室外计算相对湿度最热月平均78%，室外平均风速1.9m/s，大气压力98.86kPa夏季。

（2）空气调节室外计算（干球）温度-12℃，通风室外计算（干球）温度-9℃，最低日平均温度-15.9℃，室外计算相对湿度最冷月平均45%，室外平均风速2.8m/s，大气压力102.04kPa冬季。

3、空调设计方案

3.1 冷热源选择

本综合服务楼冬夏季设计计算冷热负荷见表1。

根据设计计算冷热负荷本工程共设3台冷水机组（U1～U3），由于项目冷热需求的不平衡性，因此以冬季制热工况负荷选定2 台土壤源热泵机组（U1、U2），设计工况下单台机组制热量为804kW，供冷量为835kW。土壤源热泵夏季供冷不足部分另设1 台螺杆式冷水机组（U3），采用冷却塔散热，供冷量为835kW。冷水机组具体参数见表2。

3.2 中央空调机房设计

热泵机组及配套设备设在再有地下室可利用的时候，一般机房不会放在一层。机房集、分水器各一台，地埋各系统集、分水器两台，机房集、分水器主管与机房管道连接，支管与地埋系统集、分水器主管连接，地埋系统集、分水器支管与地埋管系统支管连接。

3，3中央空调冷冻水的定压及补水

供热空调系统定压补水方式主要有膨胀水箱定压补水，补水泵定压补水，气体定压罐结合补水泵定压补水等。其中膨胀水箱定压补水是最经济最简单的方式，所以现在在民用建筑中大量使用，但是膨胀水箱必须设在系统的最高点，安装困难，管理不方便，使高位水箱的应用受到了限制。利用补水泵连续补水定压的系统，其定压装置是由补水箱、补水泵及调节器组成，在系统正常运行时，通过压力调节器作用，使补水泵连续补给的水量与系统泄漏量相适应，从而维持系统动水压曲线的位置，但这种定压方式，一般需连续运行，耗电大。利用压力罐结合补水泵的定压补水装置在中央空调中被大量使用，它主要由补水泵、隔膜式气压水罐、安全阀、电接点压力表和电磁阀组成，它的工作原理如下：当系统准备运行时，开启补水泵，水被送至管网的同时也被送至压力罐的水室，水室扩大并将罐内的气体压缩，罐内的压力随之升高，当压力升高至最高工作压力时（系统最高点和定压点之间的高差加上3～5mH2O），水泵停转，系统已充满水，利用压力罐内的压力来维持管网的压力，当系统运行过程中，由于系统漏水或水温改变导致系统水体积减少时，气压罐内的水室缩小，罐内气体膨胀，压力降低，当压力降低至系统最低工作压力时（系统最高点和定压点之间的高差加上1mH2O），水泵开启，系统进行补水。装置中的压力表和电磁阀均是安全保护装置，当系统超压时，可通过压力表和电磁阀将多余的水排出系统。气压罐结合补水泵的定压补水装置的设备选型计算过程如下：

1.补水泵的选择

系统内的水，当为热水或冷热两用时，应采用软化水，当软化水压力不能直接供入水箱时，应另设水泵补水，补水泵的自动补水量可按系统循环水量的1%考虑，事故补水按系统循环水量的3%考虑，直接补入循环水泵的入口处，补水泵的扬程应按补水点与系统最高点的高差加上3～5mH2O的富裕量考虑。

2.压力罐的选择

气压罐的最高工作压力应大于补水泵的扬程。

罐体的容积应按罐体内的水容积选择，罐体内的水容积应按膨胀水箱的容积选择，即罐内的水容积应能够容纳水系统的膨胀量。

式中 V――膨胀罐体内的水容积（L）

――系统在高温时水的密度（Kg/L），热水时，为热水供水的温度，冷水时，为系统运行前水的最高温度，可取35℃；

――系统在低温时水的密度（Kg/L），热水时，可取20℃；冷水时，为冷水供水温度，可取35℃；

――系统内单位水容积（L /kW）之和，与供回水温差，水通路的长短等有关，见下表所示；

Q――系统的总能量或总热量（kW）；

3.3 空调水系统与末端装置

中央空调系统可以分为三类，中央空调水系统、氟系统和风系统。水系统中央空调以水为冷媒，比传统氟系统空调更舒适。水系统中央空调一般用于大型建筑或大户型住宅和别墅，主要产自美系品牌，以高端住宅为主。

4、地埋管换热器系统设计

地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分，其选择的形式是否合理，设计的是否准确，关系到整个地源热泵系统能否满意要求和正常使用，土壤的初始温度、类型、传热特性以及密度和湿度等参数是影响埋管换热器设计的重要参数，因此做好施工场地的地层勘察和土壤热物性测试工作非常重要。同时，建筑物全年累计的冷热负荷通常是不均衡的。因此在埋管换热器的设计中，必须要确定的是依据冬季热负荷还是夏季的冷负荷来计算换热器长度。另外，建筑物的冷热负荷都是随着环境温度的变化而变化的，所以运用动态负荷计算软件来分析建筑物的全年逐时负荷非常重要。 　　根据本区域的地质资料表明，工程场区松散沉积层岩性主要为粘性土、砂土（细沙、粉砂）和粉土，且分布层位较稳定，可钻行较好。在工程场区130m 深度范围内，赋存多层地下水，存在较强的地下水渗流作用，有利于地埋管换热器的传热并可减弱地埋管换热器吸放热不平衡现象。本工程130m 地层导热系数和建议取值如表3所示。

4.1 换热器换热量的选取

地源热泵系统最大释热量与建筑设计冷负荷相对应。包括：各空调分区内地源热泵机组释放到循环水中的热量（空调负荷和机组压缩机耗功）循环水在输送过程中得到的热量、水泵释放到循环水中的热量。将上述三项热量相加就可得到供冷工况下释放到循环水中的总热量。即：

最大释热量=Σ[空调分区冷负荷×（1+1/EER]+Σ输送过程得热量+Σ水泵释热量

地源热泵系统最大吸热量与建筑设计热负荷相对应。包括：各空调分区内地源热泵机组从循环水中的吸热量（空调热负荷，并扣除机组压缩机耗功）循环水在输送过程中失去的热量并扣除水泵释放到循环水中的热量。将上述前两项热量相加并扣除第三项就可得到供热工况下循环水的总吸热量。即：

最大吸热量=Σ[空调分区热负荷×（1・1/COP）]+Σ输送过程失热量・Σ水泵释热量

根据公式（1）和（2）可以得出最大释热量为2239kW，最大吸热量为1233kW。

4.2 换热井数的确定

（2）

其中：Q 为最大释热量或最大吸热量，q 为夏季或冬季单井换热能力，H 为单井井深。本工程以夏季最大释热量为计算基准，故室外地源井共需300口，井深130m，采用双U 管，管道规格为D32×3.0PE，竖井管道承压1.6MPa，地面下水平管道（二级分集水器水平连接管）承压1.0MPa，井间距为4.5m×4.5m。

4.3 地埋管管径的选择

选择地埋管管径时必须满足几个原则：一是管道要大到足够保持泵最小输送功率，减少运行费用；二是管道要小到足够使管道内保持紊流以保证循环液体和管内壁之间的传热；三是系统环路的长度不要过长。地埋管的管径选择要考虑到按U 型管的所需长度，成盘供应，以减少埋管接头数量，所需管件能低价供应，降低工程成本。

4.4 地埋管管材的选择

从众多工程项目施工中得到：地埋管的管径在Ф20mm～Ф50mm时，以PE80-SDR11-Ф32（GB/T13663-2000）为最佳。在换热器的换热量小的工程中，在保证质量的条件下，尽量选用薄壁管，以提高换热效果。孔深100m以内用壁厚为2.3mm的聚乙烯管；孔深300m以内用壁厚为3.0mm的聚乙烯管。影响地耦管长度的因素有换热器的换热量、管的材质、土壤的结构、埋管的形式以及连接方法等。

4.5 地埋管换热器的连接

在实际工程中，地埋循环管多为并联连接到大直径的集管上的，连接时均采用同程回流式系统。在此系统中，流体有足够的流量流过各并联支埋管并且流程相同，因此，各埋管支路的流动阻力、流体流量和换热量比较均匀。

在本工程中，采用多个分支同程回流系统，再并联成总同程回流系统，每个分支系统均有管道平衡井。

5、系统冷热源方案的选择与分析

该综合服务楼工作时间为8：00-18：00，在末端装置确定的情况下，各对比方案之间的经济性差异主要是系统冷热源不同引起的，冷热源一般是集中设置。根据我国能源现状，确定了几种常见的冷热源方案，并与土壤源热泵系统进行分析比较。

方案1：水冷冷水机组+市政供热；方案2：风冷螺杆式热泵机组；方案3：地源热泵。本文就以上三种方案的技术特点、经济性、环保性进行了分析比较，用以确定适合本项目的空调方案。

5.1 初投资比较

各方案初投资见表4。由表4 可知，方案3 地源热泵系统的初投资最大，其次是方案2，方案1水冷冷水机组+市政供热的初投资最小。造成土壤源热泵系统初投资高于其他系统的主要原因是钻孔费占系统比例较大，约为系统初投资的30%。由此可见，要降低方案3 初投资主要是要降低系统钻孔费用的大小。

5.2 年运行费用比较

3.管网损失费约占总费用的5%，维护费为维护材料费和人工费。

由表5 可知，方案1 的年运行费用是最高的，其次是方案2，方案3 的年运行费用最低。

5.3 投资回收年限的计算

根据动态回收期公式：

（4）

式中，P′为动态投资回收期；CI 为地源热泵系统比普通中央空调系统节省的电费；CO为地源热泵系统比普通中央空调系统费增加的投资；为基准收益率，取一年期利率4.14%。

从公式4 和图2 中可以得出，方案3 同方案1和2比较，采用地源热泵系统的投资回收期为4.7 或8.5 年。

综上所述，土壤源热泵系统虽然由于室外部分比较复杂，初次投资高于普通空调系统，但普通空调的运行费用远高于土壤源热泵系统，一般4～9年时间就可以将增加的初次投资收回。普通空调寿命一般在15年左右，而土壤源热泵的地下换热器由于采用高强度惰性材料，埋地寿命至少50年。因此，从使用寿命和运行费用来考虑土壤源热泵系统的经济性是高于普通空调系统的，鉴于机组长期运行费用的节省和国家对节能环保工程的政策优惠，采用土壤源热泵系统比较经济。

三、结论

近几年来，大中城市为改善大气环境，大力推广使用包括可再生能源的清洁能源。随着人们生活水平的提高，建筑物不仅要满足冬季采暖的要求，而且需要夏季空调降温，地源热泵技术提供了这一问题的有效解决方案。本项目采用地源热泵，具有积极的经济、社会效益。从国家的相关政策来看，采用地源热泵技术也符合国家大力发展推行节能减排的政策。