河北省某高速公路管理處綜合樓地源熱泵系統設計

摘要 隨著人類生存環境的日趨惡化和不可再生能源的日趨枯竭，地源熱泵技術在許多國家被越來越廣泛的應用。近幾年我國政府為解決能源短缺及環境污染問題，鼓勵發展地源熱泵技術。地源熱泵技術也逐步被大眾所接受。

關鍵詞 地源熱泵系統 節能 環保

1.地源熱泵系統工作原理

地源熱泵的工作原理是：冬季，熱泵機組從地源（淺層水體或巖土體）中吸收熱量，向建筑物供暖；夏季，熱泵機組從室內吸收熱量并轉移釋放到地源中，實現建筑物空調制冷。根據地熱交換系統形式的不同，地源熱泵系統分為地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統和地埋管地源熱泵系統。由于地源熱泵系統具有不受地下水及室外氣候條件的影響、高效、節能、環保等優點，近幾年來在國內得到了迅速發展。

2.工程簡介

該高速公路管理處位于河北省，地上共3層，建筑高度11.4米，總建筑面積4800平方米。由于地處城市邊緣，無市政熱網，所以選擇用地源熱泵系統為該綜合樓的中央空調系統提供冷熱源。

3.設計簡介

3.1熱泵機房設計

該綜合樓的總建筑面積為4800平方米，由于整個建筑均采取了節能措施，經過計算，日最大冷負荷483KW，熱負荷為324KW。主機房設在附屬用房區域，地源熱泵機房設置1臺型號為DRSW-140-1，制冷量：490.6KW，制熱量：524.3KW，功率：88.5/103.5KW的地源熱泵機組。能量調節采用微電腦自動控制，實現10-100%無級調節。

3.2室內部分

室內的各個房間均采用獨立的風機盤管加新風系統，通過調速開關來控制室溫，新風通過開啟外窗來解決。空調水系統采用雙管同程式，并通過手動調節閥調節各環路間的水力平衡。

3.3地下換熱器

地下換熱器是本工程的核心。本工程的土壤換熱器采用垂直埋管型。

在設計之前應對埋管區域進行地層熱物性測試。常用的測試方法為熱反應實驗法，其原理為：電加熱器加熱保溫水箱中的水，水泵驅動水流至地下埋管中，通過埋地管與土壤換熱后又回到水箱中。測得循環水流經地下埋管前后的溫度、壓差、流量，通過公式擬合計算獲得巖土體熱物性參數。

根據擬建場地地下巖土體分析，結合現場熱物性測試的實驗結果。本工程的地埋管換熱器形式采用雙U，管材選用高密度聚乙烯管材HDPE100，管徑為DN32，地埋孔孔深120m，孔徑150mm～180mm，該型號下地埋管單位延長米排熱量約為60W/m；取熱量為38W/m。

在考慮地源熱泵系統對地下環境吸熱、放熱平衡的原則下，進行本項目室外地埋管換熱器布置的設計。根據綜合樓空調總冷負荷483KW，總熱負荷324KW。地源熱泵機組的制冷、制熱系數分別為：COP冷=490.6/88.5=5.54，EER熱=524.3/103.5=5.06。

按冬季從大地取熱量Q取進行計算，具體計算公式如下：

L= Q取/q （3.1）

其中，Q取-冬季向大地取熱量，W；

L-埋地管長度，m

q-單位孔深換熱量，W/m.

根據式（3.1）計算可得：

L=324*（1-1/5.06）*1000/38≈6841（m）

按夏季從大地排熱量Q排進行計算，具體計算公式如下：

L= Q排/q （3.2）

其中，Q排-夏季向大地取熱量，W；

L-埋地管長度，m

q-單位孔深換熱量，W/m.

根據式（3.2）計算可得：

L=483*（1+1/5.54）*1000/60≈9503（m）

為保證夏季排熱和冬季換熱都能良好地進行，比較上述計算，設計換熱孔總深度至少為9503m。

地埋管換熱器孔深（H）為120m，計算地埋管換熱孔數量（N）：

N=L/H=80（個）

回填材料采用10%的膨潤土、90%的SiO2沙子混合物。

4.地源熱泵系統在工程中的應用價值

比較其它常規型制冷或供熱系統，地源熱泵系統主要有以下幾方面的優點：

4.1節能性

地源熱泵屬經濟有效的節能技術，地能或地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高40%，因此要節能和節省運行費用40%左右。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。

4.2環保性

地源熱泵的污染物排放與空氣源熱泵相比，相當于減少40%以上，與電供暖相比，相當于減少70%以上。電能的節約減少了溫室氣體的排放，沒有燃燒過程，避免了排放煙塵，沒有室外機，減少噪音污染。

4.3地源熱泵一機多用，應用范圍廣

地源熱泵系統可供暖、空調，還可以供生活熱水等。

4.4運行費用低

在同等條件下，采用地源熱泵系統的建筑物能減少維護費用。地源熱泵非常耐用，它的機械運動部件非常少，所有的部件不是埋在地下便是安裝在室內，從而避免了室外的惡劣氣候，其地下部分可保證50年，地上部分可保證30年。

5.結論

本工程于2012年春季實施，2012年冬季開始供暖，其供暖效果達到了設計要求，室內溫度可達到20℃以上。經過2012年和2013年兩個冬季的試驗運行，證明該系統是成功的。本技術在無市政熱網的城市邊緣地區具有很大的推廣價值。

參考文獻

[1]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊（第二版）。北京：中國建筑工業出版社，2008

[2]全國民用建筑工程設計技術措施暖通空調·動力。北京：中國計劃出版社，2009

作者簡介：

王 強，工程師，郵編：050000，中鋼集團工程設計研究院有限公司石家莊設計院。

趙 妍，助理工程師，郵編：050000，中鋼集團工程設計研究院有限公司石家莊設計院。

陳曉岑，助理工程師，郵編：050000，中鋼集團工程設計研究院有限公司石家莊設計院。