鄭州某教學樓垂直地埋管地源熱泵空調系統設計

摘 要：通過鄭州某大學教學樓采用土壤源（垂直埋管）熱泵的空調設計，介紹土壤源熱泵的設計方法。同時根據該空調工程的經濟性分析，得出土壤源（垂直埋管）熱泵是一種節能、環保的空調能源。

關鍵詞：土壤源熱泵；垂直埋管；節能

近年來隨著能源和環境的問題日益嚴重，在滿足人們健康、舒適要求的前提下，保護環境，節約能源已成為暖通空調行業需要面對的一個重要課題。土壤源熱泵空調系統是通過吸收大地（包括土壤、井水、湖泊等）的冷熱量再由熱泵機組向建筑物供冷供熱，是一種可再生的、高效、無污染的新型空調系統。本文通過對鄭州某大學教學樓土壤源（垂直埋管）熱泵空調的設計論述，希望能起到拋磚引玉的作用，引起更多的設計同仁對土壤源熱泵空調系統的關注。

1 工程概況

該教學樓的主要功能：為學校提供教學、展覽與辦公用房等。其中一至三層為展覽、四至十二層為教學、地下一層為車庫和設備用房。總建筑面積：32000平方米，建筑高度49.95米。四層及以上預留分體空調，一到三層展覽作中央空調，建筑面積約為9560平方米。

2 室內外設計計算參數

2.1 室外計算參數（鄭州地區）：

夏季空調室外計算干球溫度 34.9℃

夏季空調室外計算濕球溫度 27.4℃

夏季通風室外計算干球溫度 30.9℃

夏季室外平均風速 2.2m/s

冬季室外空調計算干球溫度 -6℃

冬季室外空調計算相對濕度 61.0%

冬季通風室外計算干球溫度 0.1℃

冬季室外平均風速 2.7m/s

2.2 室內設計參數：

2.3 主要設計指標

設計熱負荷為720Kw；設計冷負荷1100kw。

3 空調系統設計

3.1 動力站設置

采用兩臺制冷量為555Kw（制熱量為616Kw）地源熱泵為冷熱源（放在地下室），夏季為建筑空調提供7～12℃冷水，冬季提供45～50℃熱水供冬季空調使用。空調水系統為一次泵變流量系統，站內設置兩臺空調水循環泵，循環泵一臺為定頻，一臺為變頻。水處理設備，水箱及定壓膨脹裝置設于地下室的熱力站內。

3.2 空調水系統

空調水系統采用兩管制，豎向干管異程設置于豎井內并與水平干管相接，水平干管敷設于各層走廊吊頂內，水平干管為異程式敷設，各層水平干管設置靜態流量平衡裝置，并在系統最高點設置放氣裝置。

3.3 空調形式

該建筑一至三層空調采用全空氣處理系統。空調回風與新風混合后，經組合式空調器處理后送入空調房間。

4 室外垂直埋管換熱器設計

由于埋管換熱器中循環介質與大地巖土間的換熱情況相當復雜，因此土壤源熱泵熱泵空調系統的設計難點主要集中在地下換熱器的設計上。埋管形式、埋管或豎井的間距、埋深、管徑、循環介質的流量等既是影響埋管換熱器與大地巖土間換熱的重要因素，又是構成埋管換熱器具體形式的主要參數。此外，埋管地點的地質狀況、氣候特征、建筑物的負荷變化狀況也都影響換熱器的換熱，其中地下巖土的熱物性對傳熱的能力影響很大。

由于設置室外垂直埋管換熱器的主要費用是鉆孔工程的費用，因此正確設計室外垂直埋管換熱器埋管的長度對于保證空調系統的效果和經濟性十分重要。目前，國內外已開發了一些地熱換熱器設計計算軟件，如：清華大學的DEST軟件、美國地源熱泵協會的GLHEPRO軟件3.03版，可以避免在設計中盲目估算帶來的失誤。

在工程設計中，室外垂直埋管換熱器設計應根據埋管建筑物的地質勘察報告、氣候特征等資料采用有關設計計算軟件進行設計計算。

經初步計算，室外土壤源換熱系統采用垂直埋管換熱，共計鉆孔175口，孔徑為Ф250mm，孔深100米，換熱管為雙U型PE高密度聚乙烯管，占地面積約為4375m2；鉆井費用約為140萬元。

5 土壤源熱泵系統總吸熱量與總釋放量相平衡的措施

在土壤源熱泵空調系統設計中，土壤源熱泵系統總吸熱量與總釋放量相平衡的措施對于保證大地巖土的熱穩定性、土壤源熱泵系統的經濟性及空調實際運行效果十分重要。

本工程經過技術經濟比較，設計中采用輔助冷卻源與地埋管換熱器并用的調峰形式。

6 經濟性分析

對上述教學樓空調系統采用三種方案：（1）土壤源熱泵機組；（2）冷水機組加燃氣鍋爐；（3）空氣源熱泵機組。現分別對這三種方案從初投資、年運行費用方面進行經濟性分析。

鄭州市電價為0.629元/Kwh，該建筑內空調系統的運行時間為8：00～20：00

夏季冷水機組的運行費用為27.9萬元，冬季運行費用為26萬元，則冷水機組加市政熱的年運行費用為27.9+26=53.9萬元。

土壤源熱泵機組的運行費用為夏季22.8萬元，冬季為22.8萬元，全年運行費用為22.8+22.8=45.6萬元

空氣源熱泵運行費用夏季為40萬元，冬季為36萬元，全年運行費用為40+36=76萬元。

7 結束語

7.1 本工程土壤源熱泵空調系統與常規空調冷水機組+市政熱相比較，總投資略有增加，全年空調運行費用要節約18%。

7.2 土壤源熱泵空調系統設計難點主要集中在地下換熱器的設計上。地下換熱器的主要費用是鉆孔工程的費用，因此正確設計室外地下換熱器對于保證空調系統的效果和經濟性十分重要。

7.3 土壤源熱泵空調系統設計要注意土壤源熱泵系統總吸熱量與總釋放量相平衡措施的采用，以防空調系統設計失敗。

7.4 土壤源熱泵空調系統是應大力推廣應用的新型節能環保空調系統。

參考文獻

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[3]朱巖，楊歷，李中領.土壤源熱泵冬夏季應用的可行性分析[J].潔凈與空調技術，2004（4）.