基于冷卻塔輔助換熱的地源熱泵空調設計探討

劉權熠 扈光霞

1 中國建筑設計研究院有限公司

2 北京華清榮昊新能源開發有限責任公司

地源熱泵由于利用了地球表面淺層地熱資源作為冷熱源進行能量轉換而制冷供熱，環境效益顯著，且其裝置的運行沒有任何污染，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，維護費用低，已經越來越多地被運用到生活當中。傳統的地源熱泵空調系統是不需要冷卻塔換熱，其地下地埋管承擔了換熱功能，由于地埋管所需要的埋管占地面積大，經常超過建筑本身的占地面積，建筑物越高，建筑面積越大，地埋管所需埋管占地面積越大，因此限制了其使用。本文結合工程應用實際情況，提出基于冷卻塔輔助換熱的地源熱泵空調系統設計思路，以期為以后的地源熱泵空調系統設計提供參考。

1 項目概況

該工程位于山東省泰安市，總建筑面積約26285.42 m2，其中，裙樓無地下室，地上共2 層，為辦公區，建筑面積約5279.1 m2，主樓地下2 層，負一層為地下車庫，負二層為地下車庫加空調主機及設備用房，地上共 6 層，其中，1-2 樓為商業區，3-6 樓為辦公區，建筑面積約21006.32 m2。

該工程集辦公、商業為一體的，各區域空調系統的運行時間有所區別。其中，商業區域的空調系統從早上8:00 至晚上23:00 均有需求。而辦公區域僅在周一至周五的工作時間（9:00-18:00）有集中空調需求，但經常有人加班，甚至周末都有零散的空調需求。為方便工作人員能夠隨時獨立，靈活地運行和使用空調系統，對于辦公區域，采用多聯機空調系統，配置獨立的新風系統。而對于商業區域，綜合考慮則采用地源熱泵+冷卻塔輔助換熱空調系統，本文重點介紹商業區域的地源熱泵+冷卻塔輔助換熱空調系統設計。

2 空調負荷計算

2.1 空調室內、外設計參數

根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736-2012）以及山東泰安的氣候參數、逐時干球溫度和日平均干球溫度，確定室內外設計參數[1]，如表1、表2。

表1 室外設計參數

表2 室內設計參數

2.2 全年動態空調負荷計算

利用HDY-SMAD 4.0 空調負荷計算軟件，對該工程進行全年8760 h 動態空調負荷模擬計算。裙樓、主樓的空調全年動態逐時負荷曲線見圖 1、圖 2，分系統的空調最大冷負荷、熱負荷見表3。由全年動態空調負荷計算可知，建筑中出現空調滿負荷的比例極低，大部分時間內，空調系統負荷低于最大負荷的 50%，因此在配置空調冷熱源時，需充分考慮冷熱負荷的全年分布狀況和全年冷熱不平衡問題。

圖1 裙樓全年8760 h 動態空調負荷曲線圖

圖2 主樓全年8760 h 動態空調負荷曲線圖

表3 系統空調負荷

3 地源熱泵空調系統設計

3.1 地源熱泵主機選型

根據負荷計算結果可知，建筑主樓+裙樓辦公區域空調總冷負荷為2655 kW，總熱負荷為1735 kW。通過對比各地源熱泵主機廠家機組參數選型可得，該項目共選用某品牌3 臺制冷量/制熱量為 975 kW/954.3 kW 的螺桿式地源熱泵冷熱水機組，夏季空調供回水溫度7/12 ℃，冬季空調供回水溫度45/40 ℃，冷卻水系統采用垂直地埋管土壤換熱系統[2]。由于該工程夏季制冷量需求大，考慮到地埋管占地面積及土壤熱平衡等問題，本文引入了冷卻塔輔助換熱系統，以排除夏季冷卻水中多余的熱量，地源熱泵+冷卻塔輔助換熱空調系統原理圖如圖3 所示。

圖3 地源熱泵+冷卻塔輔助換熱空調系統原理圖

3.2 巖土熱響應實驗及冷卻水系統設計

本項目工程總包方委托第三方專業公司對項目區域進行地質勘察，并進行了巖土熱響應試驗。測試報告顯示，本項目所在地土層自上而下分為：1）0～-10 m，泥土層，黃色。2）-10～-105 m，細沙層+粗砂層，黃黑色。場地周圍地層的原始地溫為17.42 ℃。雙U 型DN25 地埋管冬季單位井深換熱量為 49.1 W/m，雙 U型DN25 地埋管夏季單位井深換熱量為64.2 W/m。

本項目地源熱泵空調冷卻水系統采用地埋管換熱系統為主，冷卻塔換熱為輔的組合換熱方式。為了保險起見，在地埋管側、冷卻塔側均單獨設置水泵，采用變頻控制，可根據建筑負荷變化進行流量調節，以節省運行電耗。地埋管側、冷卻塔側均設冷熱量計量裝置，以監控地埋管全年總釋熱量與總吸熱量是否相平衡。冷卻塔通過板式換熱器與地埋管側冷卻水系統間接連接，以方便冷卻水系統單獨定壓。同時，將地埋管側、冷卻塔側水系統分隔開，防止冷卻塔中換熱的冷卻水影響地埋管換熱管內的水質。

3.3 冷凍水系統設計

本項目中，綜合考慮空調冷凍水系統采用閉式循環兩管制變流量一級泵系統（空調主機定流量運行，末端變流量），可根據末端負荷自動調節空調主機開啟臺數。供、回水總管間設壓差旁通閥組，可根據供、回水總管間的壓差變化自動調節進入末端系統的水量。冷凍水通過分（集）水器分為二路，分別供主樓和裙樓使用，每一路冷凍水總管上均設冷熱量計量裝置，以便于分別計量主樓和裙樓的空調系統使用情況，方便分戶收費?？照{機組、新風機組的水系統采用兩管制同程式，空調機組、新風機組的回水管上均設置動態平衡電動調節閥。水系統的定壓均采用定壓補水真空脫氣機組。

3.4 土壤換熱系統設計

由參考文獻[3]可知，地源熱泵空調系統中，垂直埋管由于埋管深度較深，土壤溫度相對恒定，?。ㄉⅲ崮芰^強，可以達到淺層土壤埋管方式的5 倍以上。本項目工程建筑單體周邊的草地、公共綠化帶、園區道路下方均可供地埋管使用。為了獲取穩定高效的換熱效果，以及盡量減少地埋管的占地面積，本項目采用垂直地埋管土壤換熱器。

根據相關規范并結合區域內相關項目經驗，本項目設計埋管間距為5 m×5 m，采用雙 U 型地埋管土壤換熱器，鉆孔直徑φ=150 mm。地埋管管材采用高密度HDPE100 型 De25×2.3 雙 U 型，有效深度為 100 m。根據上文中空調冷熱負荷計算結果，以冬季需要的供熱負荷作為地埋管換熱系統的設計依據，在此基礎上，計算出夏季對于的換熱量，這些多余的換熱量則通過冷卻塔進行輔助換熱，以滿足夏季空調的制冷效果及土壤的熱平衡要求。

計算可知，地埋管冬季最大吸熱量為 1735×(1-1/COP)=1380 kW，地埋管管群附加系數取0.9，同時考慮一定的安全裕量，可計算得出，該工程設計地埋管打井數量為360 口，地埋管換熱系統所需占地面積約為9000 m2。

制冷機房內設地源側總分集水器，室外設5 套二級分、集水器（設檢查井），每套連接72 個孔。每9 個孔采用同程式連接，水平橫管埋管于地下 2.0 m 以下，二級分、集水器的主管通過水平埋管接至地下室制冷機房。地埋管換熱系統工作溫度如下：夏季制冷工況下，供/回水溫度為 32/37 ℃。冬季制熱工況下，供/回水溫度為10/5 ℃。地埋管管道平面布置圖如圖4 所示。

圖4 地埋管管道平面布置圖

3.5 冷卻塔選型設計

由于本項目以冬季需要的供熱負荷作為地埋管換熱系統的設計依據，在此基礎上，計算出夏季對于的換熱量，這些多余的換熱量則通過冷卻塔進行輔助換熱，同時也應滿足土壤的熱平衡要求。本項目經換熱量計算及參照廠家選型，采用某品牌型號為BY-150T/R 的開式機械循環型超低噪聲橫流冷卻塔兩臺，兩臺冷卻塔均放置在裙樓的屋頂，采用變頻風機節能降耗，冷卻水供/回水溫度設計為30/35 ℃。

當熱泵機組的進口水溫超過某一設定值時，開啟冷卻塔輔助換熱，初始的溫度設定值取 32 ℃。由上文可知，我們在地埋管側、冷卻塔側的冷卻水主管上設置了冷熱量計量裝置。隨著地源熱泵空調系統的運行，管理人員可以根據往年累積在土壤中的散熱量（或取熱量）數據，逐年調整此溫度設定值，以期能夠更好地保持土壤中的熱平衡。當累年在土壤中的散熱量大于累年從土壤中的取熱量時，可降低此溫度設定值。反之，則應調高此溫度設定值。

4 結論

本文結合工程實踐，從空調系統形式選擇、空調負荷計算、熱泵主機選型、冷凍水系統、冷卻水系統冷卻塔選型及運行策略等幾個方面，簡要介紹了地源熱泵+冷卻塔輔助散熱空調系統設計。根據辦公樓的人員逐時在室率等條件，對圖書館進行了全年8760h 動態空調負荷計算，并分析了該辦公大樓空調負荷的特點，得出以下結論。

1）垂直埋管由于埋管深度較深，土壤溫度相對恒定，?。ㄉⅲ崮芰^強，可以達到淺層土壤埋管方式的5 倍以上。為了獲取穩定高效的換熱效果，以及盡量減少地埋管的占地面積，建議在地源熱泵換熱器的形式選取上，采用垂直地埋管土壤換熱器。

2）為保持土壤中的熱平衡，對于夏熱冬冷地區，夏季制冷需求量相對冬季供熱需求量較大時，必須設置冷卻塔輔助換熱系統，以排除熱泵機組夏季多余的熱量。

3）地源熱泵+冷卻塔輔助散熱空調系統中，當熱泵機組的進口水溫超過某一設定值（建議初始的溫度設定值取32 ℃）時，開啟冷卻塔進行輔助換熱，并通過分析冷熱量計量裝置記錄的往年累積在土壤中的散熱量（或取熱量）數據，逐年調整此溫度設定值。