地源热泵系统冷热源供给部分的设计与选用
摘 要：地源热泵是一种较新型的热泵技术，具有环保、节能、清洁、安全、高效等特点。此系统初投资较大，在国内应用时间较短，但随着我国经济高速增长，社会的购买力增强，尤其在节能要求日益提高的今天，高初投资对此系统的影响越来越小，此项技术正在国内大力推广。
关键词：地源热泵；冷热源供给部分；设计与选用
中图分类号：TB65 文献标识码：A
首钢秦皇岛板材深加工综合办公楼工程，正是在这个背景下应用了地源热泵这个新技术，并且系统现场运行情况良好，此项目运用地源热泵系统是一个成功的工程案例。本文详细讨论了地源热泵冷热源供给部分的设计计算及设备选型方法，通过参考文献中查得的数据及公式逐步推导选型结论，分析了在选型中的各种问题与方案的比较。给相关工作人员提供一个地源热泵技术在实际工程上的应用实例，为今后的相关工作提供了清晰的设计思路与选型指导。
通过此篇论文，希望能提高大家对地源热泵系统的认识，并努力学习运用此类利用再生能源、保护环境、节能减排的新型技术，在科技高速发展的今天，实现可持续发展，共同建造一个舒适和谐的美好家园。
一、地源热泵系统概述
地源热泵系统是利用地球表面作为冷热源，将低品位热能转化为用于供热的高品位热能以及用作制冷时的冷却水的空调系统。在冬季，地源热泵系统通过埋在地下的封闭管道（称为地下换热器）从大地收集自然界的热量，而后由环路中的循环水把热量带到室内。再由装在室内的地源热泵系统驱动的压缩机和热交换器把大地的能量集中，并以较高的温度释放到室内；在夏季，此运行程序则相反，地源热泵系统将从室内抽出的多余热量排入环路而为大地所吸收，使房屋得到供冷。
二、工程概况
本工程为首钢秦皇岛板材深加工综合办公楼工程，由两栋办公楼组成，总空调面积为4300m2，总采暖面积为7200mm2。此处0～100m为土壤层，地质条件良好；有充裕的室外空间做地能井系统；厂区无外部冷热源供给；业主要求系统安全、环保并且节能。综合考虑以上情况，本方案设计采用地源热泵系统，冬季用于供暖、夏季用于制冷。
三、负荷计算
方案设计阶段，建筑物的冷热负荷可采用面积负荷指标估算的方法计算。
（1）热负荷：Qr=F·q1/1000，式中：F—建筑面积（㎡），q1—热负荷指标（W/㎡）。
（2）冷负荷：Qc=n· F·q2/1000，式中：F—建筑面积（㎡），q2—冷负荷指标（W/m2）。
由于办公楼内会议室较多，且采暖房间多集中在北侧，因此冷热负荷指标取上限值。采暖面积=7200m2；热指标=95W/m2；热负荷=684kW；空调面积=4300 m2；冷指标=130 W/m2；冷负荷=559 kW。
四、冷热源设备选型
1 地源热泵机组选型
根据以上计算，总的冷负荷为559KW，总的热负荷为684KW。
根据奇威特地源热泵机组的性能参数，选用1台VVVSN700机组，以满足目前建筑物冬季供暖、夏季制冷的需求。
2 地下热交换器设计与选型
（1）地能井系统负荷计算
根据建设单位对暖通专业的要求，本方案采用地埋管方案。
（4-1）
（4-2）
其中 Q'1夏季向土壤排放的热，kW；Q1：夏季设计总冷负荷，kW；Q'2：冬季从土壤吸收的热量，kW；Q2：冬季设计总热负荷，kW；COP1：设计工况下机组的制冷系数；COP2：设计工况下机组的供热系数。
根据以上参数表计算：Q'1=559×（1+1/5.3）=665kW；Q'2=684×（1-1/4.5）=532kW
（2）选择热交换器形式
热交换器有水平或垂直两种形式。考虑到现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用，确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式。尽管水平布置通常是浅层埋管，可采用人工挖掘，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且往往受可利用土地面积的限制，所以在实际工程中，一般采用垂直埋管布置方式。
根据埋管方式不同，垂直埋管大致有3种形式：（1）U型管（2）套管型（3）单管型。套管型的内、外管中流体热交换时存在热损失。单管型的使用范围受水温地质条件的限制。U型管应用最多，管径一般在50mm以下，埋管越深，换热性能越好，最深的U型管埋深已达180m。U型管的典型环路有3种，其中使用最普遍的是每个竖井中布置双U型管。
（3）串联或并联
地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种，串联系统管径较大，管道费用较高，并且长度压降特性限制了系统能力。并联系统管径较小，管道费用较低，且常常布置成同程式，当每个并联环路之间流量平衡时，其换热量相同，其压降特性有利于提高系统能力。因此，实际工程一般都采用并联同程式。即本方案采用双U型管并联同程的热交换器形式。
（4）选择管材
一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足，且需要埋入地下的管道的数量较多。所以，土壤源热泵系统中一般采用塑料管材。目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上；而PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。本方案采用聚乙烯（PE）水管。
（5）确定竖井埋管管长
地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等。在实际工程中，可以利用管材“换热能力”来计算管长。换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量，一般垂直埋管为70m～100m（孔深），夏季释放热量为70～80W/m，冬季提取热量为55～65W/m，水平埋管为10～20W/m（管长）左右。根据甲方提供的对地下土壤参数，30米深以下为基岩，我方建议继续向下打孔，打到大约100米深，夏季释放热量约为70～80W/m，冬季提取热量为60～70W/m。 设计时可取换热能力的下限值，即夏季释放热量约为70W/m（管长），冬季提取热量为60W/m具体计算公式如下：
夏季：L=Q'1×1000/70
其中：L—竖井埋管总长，m；Q'1-夏季向土壤排放的热量，kW；分母“70”是夏季每m管长散热量，W/m
本方案中L= Q'1×1000/70=665×1000
/70=9500m
冬季：L=Q'1×1000/60
其中：L—竖井埋管总长，m； Q'2—冬季向土壤提供的热量，kW ；分母“60”是冬季每m管长提供热量，W/m。
本方案中L= Q'2×1000/60=532×
1000/60=8866m
（5）确定竖井数目及间距
竖井深度为100m，代入下式计算竖井数目：
N=L/H （4-3）
其中 N—竖井总数，个；L—竖井埋管总长，m；H—竖井深度，m；关于竖井间距：U型管竖井的水平间距一般为4-5m。夏季本方案中N=L/H=9500/100=95（个孔），冬季本方案中N=L/H=8866/100=89（个孔）。
打孔个数按照夏季系统竖井数量确定，为95个，占地约为1.5万平方米，待地能井系统施工完毕后，此区域可进行绿化。
（6）确定管径
在实际工程中确定管径必须满足两个要求：（1）管道要大到足够保持最小输送功率；（2）管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热，需要综合考虑。一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控制在1.22m/s以下，对较大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段压力损失控制在4mH2O/100m当量长度以下，本工程地下热交换器水流量为80m3/h，地埋管选用32mm管径。
结论
根据前文分析情况，为保证系统安全稳定运行，热泵机组以冬季可提供的热量为基准选型；地能井系统的负荷需要根据地源热泵机组的制冷制热系数进行修正，然后依据夏季的散热情况来确定打孔个数。经过投资费用和系统运行质量的比较，地下热交换器采用双U型管并联同程的热交换器形式。地埋管采用聚乙烯（PE）水管。垂直埋管孔深大约为100m深，95个管孔，占地约为1.5万平方米。
地源热泵系统的初投资比传统的空气源热泵高，但它的运行费用较低，系统安全可靠，维护量小、运行稳定，并且比风冷热泵节能约40%。
本套地源热泵系统的设计选型方案密切结合工程实际，在保证了系统运行效果的前提下，优化方案，节省了投资，得到业主的好评，并对今后的类似工程开展起到很好的指导的作用。
参考文献
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