商用建筑地源熱泵系統設計探討

周紅婷

摘要：地源熱泵技術是利用地下的土壤、地表水、地下水的溫度，通過消耗少量的電能進行加溫或制冷，具有高效、節能、環保等特點。本文根據工程案例，對地源熱泵系統設計方案進行闡述。

關鍵詞：暖通工程;地源熱泵;系統設計

一、工程概況

某建筑工程為4層的實驗大樓，建筑面積8000㎡。本項目由于場地有限，采用垂直埋管形式的進行地源熱泵系統設計，埋于建筑物底下。主機的選擇上考慮采用余熱回收式地源熱泵機組和閉式冷卻塔的組合。設備的選型考慮將在下文中闡述。

二、設計要點

（一）地下換熱器的設計

地埋管設計計算一般是通過專用軟件完成，這是由于地下換熱過程存在復雜性，為了節約埋管費用，對埋管數量要做到準確計算，另一方面地埋管設計需要預測隨建筑負荷的變化埋管換熱器逐時熱響應情況及巖土體長期溫度變換情況。

那如果沒有購買國外專用軟件，應如何就算埋管的數量和埋管深度呢？以本工程為例：在地源熱泵系統方案設計前，應進行工程場地狀況調查，并應對淺層地熱能資源進行勘察（強規）。根據工程勘察結果評估地埋管換熱系統實施的可行性及經濟性。根據本工程的巖土熱物性測試報告，得出的現場實驗數據計算分析和測試結果，進而得出鉆孔每延米（孔深）的換熱量參考值和建議打孔深度（當地建議打孔深度為100～120m）。然后根據換熱參考值，施工現場實際地形，以及建筑冬季冷負荷值（夏季的散熱量大于冬季的吸熱量，為保持地下熱量平衡，采用以冬季的最大冷負荷為地埋管換熱器的計算標準。并采用冷卻塔作為輔助冷卻源。）就能計算出總的地下換熱器樁數以及每個換熱器的樁深。

地下換熱器的管道材料應采用化學穩定性好、耐腐蝕、導熱系數大、流動阻力小的塑料管材及管件，此次工程采用目前國內最常用的高密度聚乙烯管道HDPE100，并采用熱熔連接。

宜采用并聯垂直式地埋管換熱器設計。上層水平干管同程設計，布置管道時，使并聯式系統的各個環路都有相同的進出水壓力（連接的孔數相同），以消除干管管路沿程阻力損失的影響。埋置深度宜在凍土層一下0.6m，且宜在其他管線以下。本工程因為地埋管埋設在建筑物底下，考慮到建筑物的沉降，水平干管的埋設深度為建筑物地梁以下1m。豎直埋地換熱樁的間距大于3米，以防止埋地換熱器相互間的換熱影響。并設集分水器，保障各個環路間在進出口處的壓力平衡。

關于水壓試驗應符合《規范》規定，且回填過程的檢驗應與安裝地埋管換熱器同步進行。

（二）地源熱泵主機的設計選型

目前，地源熱泵主機分為：標準型和熱回收型。又根據熱回收的原理不同，又分為：余熱回收型和全熱回收型。余熱回收型簡單的原理是回收機組在工作時壓縮機所產生的熱能。這種熱能回收產生的熱品高，量少，受影響少。全熱回收型是指在冷凝器前多裝了一個換熱器，回收冷凝器的熱能。這種熱回收產生的熱能熱品低，受影響的因素多。

由于該棟建筑為實驗室，導致建筑物某些區域需要全年供冷或供熱，夏季的制熱量需求非常少，但是需要的進出水溫度較高，因此在主機的選型上采用余熱回收式地源熱泵機組，通過產品性能參數表，可以找到有一款產品能夠滿足設計負荷的需求，選用熱回收機組，不僅能省去新購動力熱源的初投資，而且也提高了機組的制冷時的COP，達到進一步節能的作用。

本次工程選用的是：3臺余熱回收式地源熱泵機組，單臺制冷量為700kW，制熱量為720kW，預熱回收量為60kW。二用一備模式。

（三）冷卻塔的設計選型

全年冷、熱負荷平衡失調，將導致地埋管區域巖土體溫度持續升高或者降低，從而影響地埋管換熱器的換熱性能，降低地埋管換熱系統的運行效率。

本工程的夏季對巖土體的散熱量大于冬季對巖土體的吸熱量，為保持地下巖土體的熱量平衡。需要增加輔助的冷卻源，即冷卻塔系統。冷卻塔分為開式系統和閉式系統。由于該棟建筑，在冬季同樣需要冷源的供應，因此，本工程選用了閉式冷卻塔系統為輔助冷卻源。閉式塔系統不僅保證系統的循環水質，更重要的是可以在冬季和過渡季節采用Free-Cooling模式提供冷源。不僅省去新購動力冷源的初投資，而且降低運營成本。

本次工程選用的是：2臺閉式冷卻塔機組與地埋管換熱器系統并聯，單臺的冷卻量為600kW。作為埋地換熱器的補充冷卻源，需要時可兩臺同時運行。

（四）水泵的設計選型

揚程：計算最不利環路所得的管道壓力損失，再加上熱泵機組、平衡閥和其他設備元件的壓力損失，確定水泵的揚程。

總水流量：將熱泵機組設計工況下每一個孔井環路的水流量數值相加，可以得到干管的總水流量。

水泵本身還運行存在衰減，水泵的流量應為系統水量的1.1～1.2倍（通常單臺取1.1，兩臺以上并聯取1.2的富裕系數）。

對照水泵廠家樣本特性曲線，選擇滿足要求的水泵型號及臺數。

本次工程選用的是3臺冷凍水泵，3臺冷卻水泵和3臺熱回收水泵與主機一一對應。

（五）地下熱平衡系統控制設計原理

由于全年的冷、熱負荷并非是固定不變的，因此為了達到地下熱平衡，必須對地源熱泵系統進行動態控制。下面介紹一下本工程的自動控制大致的設計原理：

控制系統由第一個制熱季為統計開始的節點，由于本工程采購的地源熱泵主機上自帶流量監控計和進出口的溫度監控計，可以通過機組自帶的控制盤柜自動統計一個制熱季總共從地下吸收的總熱量。當然，如果選購的主機不帶上述功能，可以在地埋管換熱器環路的進出口，加裝流量和溫度傳感器，并接入自控系統，做數據采集，通過自控系統編寫程序，可以達到同樣的目的。將主機在第一個制熱模式的總吸熱量作為將冷卻水從地下換熱器全部切換到進入冷卻塔的依據，如第一個制熱模式地埋管換熱器從地下總共吸收了600kW，那么當切換到制冷模式時，當通過統計冷卻水進入地埋管換熱器系統的水流量和進、出溫度，計算地埋管換熱器向地下放出到600kW的熱量時，關閉進入地埋管系統的控制閥門，讓冷卻水全部通過閉式冷卻塔進行降溫，并流回主機。這樣雖然把土壤自帶的熱平衡功能忽略不計，少利用了一部分能源。但是卻能減少一部分控制系統帶來的初投資，如可以減少對地下土壤熱變化、傳熱系數變化的監控和自控設施的投入等，讓系統運行的更簡單，更穩定。

三、結束語

地源熱泵系統作為一種節能、環保的空調系統形式，應該得到更為廣泛的應用，特別是在當今能源的缺乏和環境的污染日益嚴重的情況下，更應在能源消耗大戶的工業商業工程中推廣。典型的工程設計方案和介紹是新技術研究和推廣的重要手段。

參考文獻：

[1]《采暖通風與空氣調節設計規范》 GB50019-2012

[2]《地源熱泵系統工程技術規范》 GB50366-2009