地源熱泵及輻射供暖（冷）在某住宅小區的設計應用

續紅軍 （安徽地平線建筑設計有限公司，安徽 合肥 230000）

在我國城市化建設進程不斷加快的背景下，城市環境的承載能力問題逐漸凸顯，城市生態環境問題已經成為發展過程中的主要問題。在城市建筑中，暖通系統需要消耗大量的能源，是建筑工程中的能源消耗主體部分。為此，關于暖通設計中的節能技術研究不斷加深，將綠色節能技術加入到暖通設計中，能夠降低暖通系統的能源總消耗量，從而節約更多的資源和能源，是我國現代綠色節能建筑中的重要發展方向，對于解決我國當前所面臨的環境問題具有重要的意義，是實現可持續發展戰略的必然舉措。項目2016年開始設計，2018年投入使用，獲得用戶好評。

1 工程冷熱源系統設計

1.1 工程概況

項目位于合肥市政務區岳西路與廟港路交口西南角。項目用地面積5.6萬m，總建筑面積 18.3萬m，容積率 2.5，綠地率40%。項目產品類型分為高層住宅、小高層住宅、多層住宅、配套公共服務設施、商業以及幼兒園。其中1#～5#、14#、17#、18#為高層住宅，6#～13#、15#、16#為多層及小高層住宅。限于篇幅，本次設計項目詳述冷熱源機房和有代表性的住宅18#樓（32層）的暖通設計特點。

1.2 冷熱源系統設計

①根據能耗模擬軟件計算夏季供冷和冬季供暖能耗，見表1。

夏季供冷和冬季供暖能耗 表1

②本項目夏季空調能耗3236 MW·h，冬季供暖能耗3999 MW·h。

供暖時熱泵機組 COP：（968×2+1280+1330）/（197.4×2+261+281）=4.8；

制冷時熱泵機組 COP：（932×2+1215+1280）/（143.6×2+191+206）=6.3。

冬季供暖，整個小區供暖能耗3999MW·h，熱泵制熱效率4.8，地源井吸熱量為 3999×（1-1/4.8）=3166MW·h。

夏季供冷，整個小區空調能耗3236MW·h，熱泵制冷效率6.3，地源井散熱量為3236×（1+1/6.3）=3749MW·h。

夏季往地源側散熱量要大于冬季取熱量，如果沒有其他措施，會導致地源側土壤溫度失衡。為了保持土壤熱平衡，采用冷水機組+冷卻塔，在夏季進行補充散熱。故本項目采用復合式土壤源熱泵系統，冬季空調熱負荷全部由土壤熱泵系統承擔，夏季空調負荷部分由土壤源熱泵系統承擔，部分由冷卻塔承擔。

③本項目熱泵機房設置于地庫內，選用2臺高溫地源熱泵機組、1臺常溫地源熱泵機組、1臺磁懸浮地源熱泵機組及1臺常溫冷水機組。高溫機組負責住宅低區天棚輻射系統，夏季供回水溫度18/21℃，冬季供回水溫度31/28℃；常溫機組負責住宅高區天棚輻射及新風系統，夏季供回水溫度7/12℃，冬季供回水溫度45/40℃。

冷卻塔選用根據機組容量配置方形橫流式冷卻塔1臺，冷卻水量500m/h，置于4#樓屋面，冷卻水供回水溫度為32/37℃。

土壤熱平衡措施：冬夏季土壤能量不平衡約3749-3166=583MW·h，冷水機組額定制冷量2117kW，即冷水機組運 行 時 間 583×1000/2117=275h，約12d，可滿足熱平衡。所以利用冷水機組+冷卻塔，可以滿足地源熱泵土壤熱平衡的要求。

2 地源側與末端系統設計

2.1 地源側系統設計

①本工程共設地源井800口，布置在地庫底板之下。垂直地埋管采用DN25雙U管，有效深度100m，孔間距不 小 于 4.5m×4.5m，鉆 孔 直 徑 為130mm；井內回填材料導熱系數應不低于鉆孔外巖土體的導熱系數。

②根據場地情況，二級分集水器分布于地庫四周。共分為50對二級分集水環路。地埋管環路兩端分別與相對應的供、回水環路的分、集水器相連接，并采用同程式布置。

③因土壤換熱器地下熱阻，運行份額，連續脈沖負荷引起附加熱阻、土壤熱擴散等因素造成土壤溫度變化，因此設計選擇1個鉆孔垂直埋設2個溫度探測器（30m，70m）實時監測土壤溫度變化，以便及時調節系統運行模式保證土壤熱平衡，監測點采用設置在防護套管內的測溫線采用Rvvp4×0.25，接至地源熱泵機房。地源熱泵機房內一級分水器的進水總管上設靜態流量平衡閥，保證環路流量在任何壓差下保持恒定，確保換熱效果，一級集分水器上設沖洗用旁通支管。

天棚、新風區供冷熱情況 表2

圖1 地埋管示意圖

圖2 測試井布置位置

2.1.1 土壤換熱器系統冷量計算

在熱泵機房土壤換熱器系統中設置逐時溫度傳感器，流量穩定，可計算出逐時能量，在空調系統供暖和制冷的過程中，可以計算出向土壤釋放和吸取的熱量，根據計算的結果，可以分析出每年土壤取熱情況，結合地溫變換可以清楚地掌握地下土壤的傳熱特性和溫度變換情況，對系統的溫度可靠運行提供保障，再通過冷卻塔散熱補充，保障土壤熱平衡。

2.1.2 地源側冷卻水回水溫度監測系統

在空調系統地源側冷卻水管路中設置溫度監測傳感器，當地源側冷卻水回水溫度過高時，立即切換冷卻塔冷卻水系統運行模式，有效保障地源側空調系統能夠穩定有限運行，保障土壤熱平衡。

2.2 末端系統設計

①住宅采用天棚輻射供暖及制冷，對于層數大于18層的高層住宅，17層以下為低區系統，17層及以上為高區系統。夏季輻射制冷水溫為18/21℃，冬季輻射供暖水溫為31/28℃。立管及各戶分集水器設置于公共管井內。低區天棚水由機房直接提供，高區天棚水由機房低溫水與各樓棟屋面板換機組換熱后，由板換機組提供。各立管頂部設自動排氣閥，底部設置泄水管。各樓棟底層設置地板采暖，分集水器設置于本層公共管井。

②天棚輻射系統每戶單獨設置分/集水器控制流量，同一分/集水器下各回路長度宜接近，客廳與臥室不宜公用回路。分/集水器各回路回水支管設置恒溫控制閥通過埋地線與室內溫控器連接。各分/集水器前端設置熱量表。

③住宅設置集中式新風處理機，高層住宅在屋面和地下一層分別設置帶有全熱回收的新風機組，分別從高低區兩個方向送風。住宅低區系統新風由地下一層設備機房內熱回收空住宅設置集中式新風處理機，高層住宅在屋面和地下一層分別設置帶有全熱回收的新風機組，分別從高低區兩個方向送風。夏季供回水溫度7/12℃,冬季供回水溫度45/40℃。新風機組設有過濾段、表冷段、加濕段、熱回收段、送回風段等功能段，對新風進行加熱、制冷、加濕、除濕等處理。

④室內采用地板送風，起居室、客廳和臥室通過墊層內風管獲得較為新鮮的空氣，每戶設置獨立的分風箱，分風箱設置于獨立管井。房間之間回風通過門縫滲透。在衛生間及廚房設置回風立管及回風口。

3 經濟分析

供暖時系統COP：（968×2+1280+1330）（/197.4×2+261+281+45×2+22×2+55×2）=3.8；

制冷時系統COP：（932×2+1215+1280+2117）（/143.6×2+191+206+404.6+45×2+22×2+55×2+55）=4.67。

冬季供暖，整個小區供暖能耗3999MW·h，系統制熱效率3.8，耗電量為3999/3.8=1052MW·h；夏季空調，整個小區供冷能耗3236MW·h，系統制冷效 率 4.67，耗 電 量 為 3236/4.67=692.9MW·h；

合計1052+692.9=1744.9MW·h。

如果利用常規分體空調制冷及供暖，分體空調按能耗比3.4計算，全年空調+供 暖 電 耗 為 3999/3.4+3236/3.4=1176+951=2128MW·h，地源熱泵節能量為 2128-1744.9=383.1MW·h，節能率為383.1/2128=18%。

4 結語

綜上所述，本文詳細闡述了住宅用地源熱泵及輻射供冷（暖）的設計思路及過程，給讀者提供如何在住宅設計中利用可再生能源的新形式。工程竣工投入使用3年多來，獲得很多好評，項目設計在2019年獲得安徽省暖通專業創新設計二等獎。提供多種現代綠色節能技術在暖通系統設計中的應用，希望可以對我國建筑工程行業起到一定的借鑒和幫助作用，從而降低建筑能源總消耗，緩解我國能源緊張的社會問題，提高建筑運行經濟效益。

圖3 監測井坡面與土壤換熱器井內溫度探頭示意圖

圖4 天棚輻射及新風管結構示意圖

圖5 盤管結構示意圖

圖6 新風支管平面布置圖