某住宅小區地源熱泵空調方案研究

摘 要：介紹了南京某住宅小區地源熱泵空調系統的方案設計，包括小區建筑空調冷熱負荷、地埋管換熱系統、輔助冷源、水源熱泵機組選擇、空調水系統組織、末端空調形式等，并對方案比選中的一些不同選項進行了討論。

關鍵詞：住宅小區;地源熱泵空調系統;方案設計

0? 引言

隨著經濟的不斷發展，人們對于住宅的室內環境要求越來越高，空調已成為現代住宅的必要設施。地源熱泵空調系統因其節能、改善小區環境及提升住戶空調使用體驗感等優點，被越來越多的高端住宅所采用。本文介紹了南京某住宅小區地源熱泵空調系統方案，包括小區建筑空調冷熱負荷、地埋管換熱系統、輔助冷源、水源熱泵機組選擇、空調水系統組織、末端空調形式等，并對方案比選中的一些不同選項進行了討論。

1? 工程概況

住宅小區項目位于國家級新區南京市江北新區核心區研創園板塊，項目占地面積約38 260 m2，總建筑面積為135 575.34 m2，住宅區供能面積為85 539 m2。本項目共包含10棟高層住宅、1棟會所及沿街商業。本項目住宅按建筑高度劃分可分為兩種，其中，1#～6#樓為18層住宅，建筑高度為53.1 m 。7#～10#樓為26層住宅，建筑高度為76.7 m。會所位于地下一層，包括一個25 m×12 m泳池、一個健身房及一個會客室，總建筑面積約1 200 m2。小區住宅區域的空調冷熱水及會所區域的空調冷熱水、會所生活熱水負荷由集中式地源熱泵系統提供。住宅室內空調采暖末端形式為風機盤管供冷、地板輻射采暖。

2? 空調冷熱負荷

2.1? 圍護結構

本項目住宅圍護結構熱工性能按《江蘇省居住建筑熱環境和節能設計標準》（DGJ32/J 71—2014）中的要求選定。圍護結構主要熱工性能如下：（1）外墻的傳熱系數為0.58 W/（m2·℃），熱惰性指標為2.96;（2）屋面的傳熱系數為0.48 W/（m2·℃），熱惰性指標為3.44;（3）外窗的傳熱系數為2.0 W/（m2·℃）。

2.2? 室內設計標準

本項目室內空調設計參數如表1所示。

2.3? 冷熱計算負荷

本項目采用華電源HDY-SMAD 4.0全年負荷計算軟件，項目設計計算冷負荷為5 815 kW，單位建筑面積冷負荷為65.6 W/m2，項目設計計算熱負荷為3 727.2 kW，單位建筑面積熱負荷為43.9 W/m2，生活熱水負荷220 kW（含泳池初始加熱）。

3? 復合地埋管換熱系統

3.1? 設計原則

為了最大限度地利用項目地熱資源，地源熱泵地埋管換熱系統設計原則為：提供住宅及會所的空調、生活熱水供熱負荷，夏季地埋管換熱系統釋熱能力不足部分由冷卻塔分擔，冷卻塔的容量也能同時滿足全年地熱平衡需要。通過冷卻塔與地埋管復合換熱系統運行邏輯的優化，實現全年地熱平衡與系統高效運行。

3.2? 換熱器系統

項目采用雙U豎向埋管換熱器形式，雙U換熱器采用工作壓力為1.6 MPa、規格為De25的高密度聚乙烯塑料管（HDPE100）制作。小區地下車庫底板下的地埋管換熱系統換熱孔按照4.5 m間距布置。根據《熱響應測試報告》，項目采用的雙U地埋管換熱器單位延米換熱能力：夏季工況釋熱量為65 W/m，冬季工況取熱量為41 W/m。經計算，需要設置730口換熱井。為監測地溫變化，另外設置了4口巖土體溫度監測井。

本項目地埋管換熱系統每個換熱器單元獨立接至檢查井的分集水器，單個分集水器對應連接20～25個換熱器單元。為節省管道長度，降低建筑結構底板下換熱管布置難度，每個換熱器回路采用異程形式，通過設置于回水管道上的平衡閥進行調節，實現各回路水力平衡。水平地埋管敷設在管溝中。本項目共設置了4個換熱單元分集水器檢查井，每個檢查井內設置若干分集水器。換熱井內集管通過穿墻防水套管進入地下室，連接至熱泵機房，可實現分區控制。

3.3? 輔助換熱系統

根據華電源全年負荷計算，本項目全年累計向巖土體釋熱量為10 590.3 MW，全年累計從巖土體取熱量為6 755.6 MW，熱不平衡率36.2%。另外，地埋管換熱系統不能全部承擔夏季空調系統釋熱量，結合夏季空調系統釋熱與巖土體熱平衡需要，經計算，選擇1臺500 t/h的冷卻塔作為輔助冷源。為減少外界環境對地源側水的影響，同時為了方便管理與節能需要，選用閉式冷卻塔。閉式冷卻塔可直接并聯連接至熱泵機房地源側分集水器上。根據節能運行原則，當室外空氣濕球溫度低于地源側土壤溫度時，優先使用冷卻塔運行。

4? 室內系統與熱泵機房

4.1? 空調供熱末端與水系統

結合項目定位，住宅室內采用風機盤管空調+地板輻射供暖與單向流新風組合形式，分戶新風系統配置亞高效過濾器。

由于地板輻射供暖盤管的承壓一般不超過0.8 MPa，且《采暖通風與空氣調節設計規范》第3.3.9條規定：“建筑物的熱水采暖系統高度超過50 m時，宜豎向分區設置”，結合本項目情況，選擇空調與供暖共用立管，按供暖系統材質特點，空調與采暖水系統豎向以10層為界分兩個區，即10層及以下為低區，10層以上為高區。據此，空調（供暖）水系統有以下3種組織形式：

方案1，在地源熱泵機房內集中設置高區空調水系統板式換熱器，將高區空調（供暖）水系統與低區水系統及地源熱泵機組隔開。低區由地源熱泵機組直供，高區通過板式換熱器換熱后供應。

方案2，在各住宅樓棟內，分散設置高區空調水系統板式換熱器，將該樓棟高區空調（供暖）水系統與低區水系統及地源熱泵機組隔開。低區由地源熱泵機組直供，高區通過板式換熱器換熱后供應。

方案3，將小區高區空調（供暖）水系統與低區水系統完全隔開，均由地源熱泵機組直供，即低區與高區均有分屬自己系統的地源熱泵機組及配套設施，形成獨立系統，取消了為高區設置的板式換熱器。為高區服務的地源熱泵機組及配套設施工作壓力應能適應高區壓力需要。

綜合項目實際條件，經造價、能效、機房面積、隔聲等綜合比較，選定方案3。

4.2? 地源熱泵機房

根據前面的討論分析，經計算，本項目選用2臺額定制冷量為1 469 kW的螺桿式地源熱泵機組作為低區空調供暖冷熱源，選用2臺額定制冷量為1 280 kW的螺桿式地源熱泵機組作為高區空調供暖冷熱源。地源熱泵空調系統設計工況：夏季用戶側供回水溫度為6 ℃與12 ℃，地源側供回水溫度為30 ℃與35 ℃;冬季用戶側供回水溫度為39 ℃與45 ℃，地源側供回水溫度為10 ℃與5 ℃。空調冷熱水系統采用一次泵變流量系統。

會所最大生活熱水加熱負荷為220 kW/h，平時加熱負荷為120 kW/h。配備1臺地源熱泵高溫熱水機組，額定制熱量為250 kW/h，高溫熱泵熱水機組采用有2個獨立回路的雙機頭機型，以提高系統運行可靠性。

地源熱泵機房位于地下一層，與住宅房間有足夠距離，同時采取了隔音、隔振設計，避免設備工作時對住戶產生影響。

5? 結語

住宅采用地源熱泵空調技術對于促進節能減排具有重要的意義。住宅小區地源熱泵空調系統，冬季采用地板輻射供暖，提高了冬季室內熱舒適性，通過降低系統供水溫度，從而進一步提高系統供暖能效。夏季采用風機盤管供冷、冬季采用地板輻射供暖形式，水系統設計更為復雜，必須滿足地板采暖系統工作壓力一般不超過0.8 MPa的要求，同時為減少水力失調，超過50 m的住宅樓，一般也要將水系統豎向分區。高低區可以用板式換熱器隔開，也可采用高低區分設獨立空調供暖系統的方式。后者，熱泵設備投入會相對多一點，但是考慮到機房、中間換熱器等綜合因素，造價還是比較節省的。采用高低區分設獨立空調供暖系統的方式明顯提高了系統效率，減少了系統主機及水泵能耗。

住宅采用風機盤管供冷+地板輻射供暖的系統形式，應考慮防止夏季空調冷水進入地板輻射管內。在室內實施水系統切換，公共區域管線可以簡單些，但增加了住戶使用的難度，所以建議在公共區域，如公共水管井內實現室內水系統切換，這種方式便于物業進行專業化管理，可以提高系統安全性。

住宅建筑地源熱泵空調系統方案對系統造價、運行能耗與費用、系統安全性起著十分重要的作用，只有結合項目特點，多方案比選研究，才能最終確定合適的方案，更好地發揮地源熱泵技術在住宅應用中的優勢。

收稿日期：2020-06-15

作者簡介：朱煥明（1965—），男，江蘇宜興人，工程師，研究方向：建筑設備系統綠色節能技術。