武漢某小區地埋管地源熱泵設計及經濟性分析

吳 瑋 華

(中信建筑設計研究總院有限公司，湖北 武漢　430014)

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武漢某小區地埋管地源熱泵設計及經濟性分析

吳 瑋 華

(中信建筑設計研究總院有限公司，湖北 武漢430014)

從冷熱源設計與地埋管系統設計兩方面，介紹了某工程地埋管地源熱泵空調系統的技術方案，分析了冷熱源的運行策略，并與傳統空調系統進行了對比，為地埋管地源熱泵和常規空調形式的系統選擇提供了依據。

地埋管地源熱泵，空調系統，經濟性

隨著近十幾年來我國新建建筑的迅速增多，建筑能耗在整個能源消耗中所占比重越來越大，約占27.5%[1]，而空調采暖能耗占到整個建筑能耗的40%～50%。因此合理選擇空調系統在建筑節能中顯得尤為重要。地埋管地源熱泵作為一種以節能和環保為特征的可再生能源空調系統，近幾年發展迅速，在國內許多工程中得以應用。但是地埋管地源熱泵在我國的應用仍然處于起始階段，系統設計和工程應用仍存在一些問題。本文針對武漢某小區的地埋管地源熱泵系統進行設計，并對該系統的經濟性進行分析，為地埋管地源熱泵和常規空調形式的系統對比選擇提供依據。

1　工程概況

該小區位于武漢東湖新技術開發區，定位為高端住宅，采用地埋管地源熱泵中央空調系統滿足用戶的夏季制冷、冬季采暖及全年的生活熱水需求。地上部分建筑面積為31 112 m2，總戶數為164戶，入住人數約600人。

2　方案可行性分析

該項目所在地地質結構以不同風化程度的灰巖為主，存在少量的破碎帶，采用地埋管地源熱泵成孔速度較快，成孔深度基本可保證100 m，非常適合采用地埋管地源熱泵系統。在項目綠化地打若干個一定深度的垂直孔，孔內埋設雙U型換熱管，利用地下土壤作為系統的冷熱源，根據項目冷熱量負荷情況設置輔助冷源。

3　空調冷熱源設計及主要設備選型

根據建筑圖紙經逐時逐項負荷計算，得出空調冷負荷為1 860 kW，空調熱負荷為1 396 kW，生活熱水負荷為184 kW。

系統采用螺桿式冷熱水型地埋管地源熱泵機組，螺桿式冷熱水型地埋管地源熱泵機組能制取7 ℃的空調冷水、45 ℃的采暖熱水和55 ℃的衛生熱水，夏季還能免費提供生活熱水，不僅能滿足夏季供冷、冬季供暖的需要，還能滿足冬夏季生活熱水的需要。根據負荷計算結果選3臺地埋管地源熱泵機組，機組參數見表1。

表1　地埋管地源熱泵機組主要參數

地埋管地源熱泵機組制冷工況：冷凍水進出口溫度為12 ℃/7 ℃，源水進出口溫度為25 ℃/30 ℃；制熱工況：熱水進出口溫度為40 ℃/45 ℃，源水進出口溫度為10 ℃/5 ℃。

主機運行模式如下：1)夏季：優先開啟部分熱回收主機滿足全部衛生熱水需求及部分空調負荷需求，負荷較大時開啟標準型主機參與制冷，峰值負荷時3臺主機全開；2)過渡季節：在不需要空調時，開啟全熱回收主機滿足生活熱水需求；3)冬季：開啟全熱回收主機滿足生活熱水需求，根據負荷情況，開啟部分熱回收主機和標準型主機滿足空調采暖需求。

4　源側系統設計

在地埋管地源熱泵的運行過程中，埋管方式、管井的水平間距和冬、夏季運行時間的分配對土壤的溫度場分布和熱量的平衡有著重要的影響。結合本項目的地質情況及用地條件，建議采用雙U管系統。

4.1源側換熱系統分析

根據地埋管地源熱泵系統勘察報告的測試結果，考慮地下埋管的進出水溫度、回填料、適當的流速，考慮到系統安全性取保守值，夏季土壤換熱量取58 W/m，冬季土壤換熱量取45 W/m。

在其他條件相同的情況下，管井水平間距越小，土壤的溫度變化相對越大；管井水平間距越大，土壤的溫度變化相對越小，相同條件下其運行性能越好，運行時間的調節范圍也相對越大。針對本項目埋管區域較大和主要集中在地下室的特征，地埋管埋管間距取4 m～4.5 m，以保證地埋管系統換熱性能。

地埋管地源熱泵系統的排熱和吸熱的平衡是保證系統正常運行的關鍵因素。因此，科學的運行管理措施是確保土壤有效提供熱源和冷源的重要因素。

4.2源側換熱系統負荷計算及埋管計算

換熱器設計必須保證運行期內，源側水溫在設計工況上下限內，同時確保地埋管地源熱泵機組運行效果不下降。設計的依據為整個空調最大的散熱量和最大的吸熱量。

系統最大散熱量與建筑設計冷負荷相對應。包括各空調分區地源機組釋放到循環水中的熱量(空調負荷和機組壓縮機耗功)、循環水在輸送過程中得到的熱量、水泵釋放到循環水中的熱量。上述三項熱量相加就可得到供冷工況下地埋管地源熱泵系統總散熱量。系統最大吸熱量與建筑設計熱負荷相對應。包括各空調分區地源機組從循環水中的吸熱量(空調熱負荷，扣除機組壓縮機耗功)、循環水在輸送過程損失的熱量并扣除水泵釋放到循環水中的熱量[2]。

根據所選主機的性能參數，機組的平均COP值取6.00，機組的平均EER值取3.77。計算得出系統夏季最大散熱量為2 134 kW，冬季最大吸熱量1 256 kW。

考慮到源側熱平衡的問題，按照地埋側的設計負荷分別計算冬季和夏季工況的埋管長度，然后取最大值。計算得出夏季制冷所需豎井總深度大于制熱時需豎井總深度，考慮到系統經濟性和土壤熱平衡，埋管總深度按冬季的吸熱量計算，并考慮一定余量，夏季埋管量不足部分考慮采用1臺150 t/h 冷卻塔對應一臺標準型主機運行。

根據本項目大致地質情況可得，本項目初步選取單井有效深度為100 m，則所需的豎井數目為279個。

由于整個場地地質情況可能出現變化，為保證地埋管系統的可靠性，一般設計時，鉆孔總量需要考慮3%～5%的余量，設計鉆孔數量為288口。

5　經濟性分析

根據業主的要求，對本項目利用地埋管地源熱泵中央空調系統進行經濟性分析。

5.1初投資比較

本項目中地埋管地源熱泵系統與其他空調系統形式初投資比較見表2。

表2　地埋管地源熱泵系統與常規系統初投資對照表

5.2運行費用計算

由于輸送及空調末端耗電量基本相同，本文僅比較冷熱源耗電量。

供冷工況時，部分負荷運行時間與部分負荷運行的機組效率按GB 50189—2015公共建筑節能設計標準估算。部分負荷運行時間分別為100%負荷占總運行時間1.2%；75%負荷占總運行時間32.8%；50%負荷占總運行時間39.7%；25%負荷占總運行時間26.3%[1]。供熱工況時，部分負荷時間目前國內無相關數據，暫按夏季制冷IPLV的系數取值。制冷季按照120 d，制熱季按照90 d，過渡季按照155 d計算，每天運行12 h。

考慮相同的開啟時間，電價按商業電價0.945元/kWh，天然氣按3.675元/m3計算，不同空調系統的運行費用比較見表3。

由于不同季節自來水的進水溫度不同，熱水負荷也隨著季節變化，夏季自來水溫度取25 ℃，冬季取5 ℃，過渡季取15 ℃[3]。熱水使用率按50%考慮，不同系統年熱水運行費用對比見表4。

地埋管地源熱泵雖然初投資比冷水機組+鍋爐系統要高，但是運行費用要低，結合冬夏季空調運行費用及熱水運行費用，可以對比計算地埋管地源熱泵的靜態投資回收期(見表5)。

表3　空調系統運行費用對比

表4　不同系統年熱水運行費用對比

表5　不同空調系統投資回收期對比

通過對比，地埋管地源熱泵空調系統比傳統空調系統具有明顯的經濟優勢：1)地埋管地源熱泵機組制冷的COP值為6.0，比水冷螺桿機組制冷的COP值4.95高21.2%；2)雖然地埋管地源熱泵空調系統的初投資多出355萬元，但每年的運行費用可以節約45.8萬元，靜態投資回收期為7.75年，而且隨著電費費率的提高，投資回收期會相應縮短。

6　結語

地埋管地源熱泵作為一種可再生能源空調形式，在實際應用中具有良好的經濟效益和社會效益。但是在實際設計中，需對土壤的熱平衡進行詳細計算，保證地源熱泵系統的排熱和吸熱的平衡，使系統能夠正常運行。

[1]GB 50189—2015，公共建筑節能設計標準[S].

[2]GB 50366—2005，地源熱泵系統工程技術規范(2009版)[S].

[3]GB 50015—2003，建筑給水排水設計規范(2009版)[S].

Design and economic analysis of ground source heat pump system of a residential area in Wuhan

Wu Weihua

(CITICGeneralInstituteofArchitecturalDesignandResearchCo.,Ltd,Wuhan430014,China)

Introduces the technical scheme of the GSHP air-conditioning system, from the design of air conditioning cold and heat sources and design of underground pipe system, analyzes the operation strategy of the cold and heat sources, and compares with the traditional air conditioning system, provides the basis for system comparison and choice of GSHP and conventional air conditioning form.

ground-coupled heat pump, air conditioning system, economy

1009-6825(2016)19-0113-02

2016-04-23

吳瑋華(1985- )，男，碩士，工程師

TU832

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