1、1某高档小区地源热泵空调系统设计分析摘要：地源热泵空调系统已广泛应用于高档住宅项目，本文根据设计参数阐述了其设计方法，提高了小区整体档次，具有良好的舒适性和节能效益。 关键词：地源热泵空调；负荷计算；特点； 中图分类号：TB657.2 文献标识码：A 文章编号： 1.工程概况 某高档住宅项目占地面积约 53275m2，拟建多层叠加别墅住宅小区,总建筑面积:102050m2。小区共 27 栋别墅，包括 1#8#商业和住宅，9#27#叠加别墅住宅和地下机动车库。整个小区共七种房型，笔者以其中 A 户型为例进行设计与分析。该户型建筑面积为 409m2，空调面积为332m2，分为地下一层和地上一层，共
2、两层。地下一层由泳池、休闲区、视听室、健身房、工人房等组成，地上一层由主卧、客卧、餐厅、客厅等组成。设计采用地埋管地源热泵系统，用于室内夏季制冷；冬季低温地板辐射采暖；全年制取生活热水，提供泳池初加热热水及恒温生活热水。 2. 地源热泵系统设计 2.1 室外设计参数 室外设计参数参照杭州地区，见表 1。 2表 1 室外设计参数 2.2 空调室内设计参数（见表 2） 表 2 空调室内设计参数 2.3 负荷计算 2.3.1 空调冷、热负荷 根据建筑专业提供的围护结构参数，屋面的传热系数 0.58W/(m2K)，外墙的传热系数 0.74W/(m2K)，分户隔墙的传热系数 1.98W/(m2K)，楼板
3、的传热系数 0.65W/(m2K)，断热铝合金单框低辐射中空玻璃窗传热系数小于等于 4.70W /(m2K)，外门的传热系数 2.47W/(m2K)。并结合表 1 和表 2 中室内、外设计参数，利用上海华电源空调负荷计算软件计算出逐时围护结构冷负荷，并同时得出稳态传热的人员、照明、设备冷负荷和新风冷负荷，最终根据逐时冷负荷的综合最大值计算出 A 房型空调冷负荷为 45kW，空调热负荷为 28kW。 2.3.2 生活热水负荷 根据给排水专业的要求，提供户型 A 生活热水（55）的热负荷需5.1kW（55加热到 60的热量由太阳能热水提供） 。 2.3.3 泳池热水负荷 室内泳池面积为 2m7m=
4、14m2，池深为 1.3m，贮水量为 18.2m3；根3据给排水专业的要求，泳池初次加热消耗的热量需 20.37kW，池水日常热损耗量为 3.44kW。 2.4 系统设计 2.4.1 系统方案 根据业主要求，本工程每户单独设置 1 套系统，考虑到别墅负荷的波动性，同时别墅设有泳池，生活热水量较大，因此我们考虑设置 2 台热回收型地源热泵机组(主机配置见表 3)。从负荷计算中看出，虽然夏季空调冷负荷远远大于冬季热负荷，但是地源热泵机组在夏季的热回收功能减少了机组向土壤的散热量，同时冬季还使用机组进行制生活热水，缩小了土壤得热和散热量的不平衡量，使得地下负荷基本趋于平衡。这2 台机组模块化控制，可
5、以灵活地根据房间不同的负荷情况开启主机：当房间全部使用时，2 台主机全部运行，达到快速制冷的目的；当室内温度达到设计要求时，机组大部分时间非满负荷运行，只有 1 台机组运行，这种配置方案可大大降低运行费用。末端系统采用地板辐射供暖加风机盘管系统，夏季制冷时采用风机盘管系统，冬季供暖时采用地板辐射供暖系统。在初次供暖时或需要快速升温时，则采用风机盘管系统进行辅助供热。由于人体不同部位对温度的要求略有差异，当人体头部的温度略低于脚下的温度时会使人感觉很舒服，反之则容易使人产生头晕、脑胀等症状。在夏季时用风机盘管制冷，脚下温度高于头部温度；在冬季时用地板辐射采暖，脚下的温度略高于头部温度，可见这种末
6、端系统是非常合理、舒适的。 4表 3 别墅 A 房型主机配置表 2.4.2 系统运行模式 夏季 2 台机组同时运行为空调提供冷源，并带热回收装置为生活热水提供部分热能；冬季 1 台机组为采暖系统提供热水，另 1 台为生活热水提供热源，夏季空调供、回水温度为 7/12，冬季空调热水供、回水温度为 45/40，生活热水的供水温度为 55。同时太阳能热水系统也接进生活热水箱，使得生活热水箱中热水水温再提升 5，从而达到6O，以满足生活热水的水温要求。本项目制冷、供热系统是多个绿色环保系统的综合，地源热泵热回收热水系统+太阳能热水系统，不仅达到系统功能要求，而且还通过各系统间的相互辅助，达到各系统综合
7、最低运行费用的目的。 2.4.3 地下换热器设计 地埋管系统一直是地埋管地源热泵系统技术的关键，也是地埋管地源热泵系统技术的难点，主要包括以下几个方面。 (1)地下换热器埋管形式及管路连接方式根据本工程情况，现场的场地面积比较紧张，同时当地的土质情况是以粘土、亚粘土及粉砂为主的软土，因此非常适合钻孔埋管，这样挖掘成本也会较低。因此决定在竖直埋管和水平埋管这两种埋管形式中，选择采用竖直单 U 形管的地下换热器埋管形式。 对于地下换热器管路连接方式，由于竖直埋管系统并联方式的初投资及运行费用均较串联方式经济，同时由于地下埋管多环路难以设置调5节阀或平衡阀，难以做到系统各环路的水力平衡，需考虑同程布
8、置，因此管路连接方式采用同程并联式。 (2)土壤换热负荷 冬、夏季地下土壤换热负荷分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。因为夏季向土壤中排放的热量大于冬季从土壤中吸取的热量，所以根据夏季向土壤排放的热量进行计算地下换热器。因此别墅 A 房型计算地下换热器的土壤换热负荷为 53kW 。 (3)管材和管径的选取 鉴于地下换热器管道难于维修或更换，这就要求其管材化学性质稳定并且耐腐蚀。因此地源热泵系统一般采用抗腐蚀性较强且成本较低的塑料管，本设计选择了 SDR11 高密度聚乙烯 PE100 管，额定承压能力为 1.6MPa。 地下热交换器埋管常用管径有 25mm、32mm、40mm、5
9、0mm，根据本工程地埋管的流量要求，该项目竖直埋管采用的 PE 管为 De323.0mm，水平埋管为 De504.6mm。一方面保证管道的管内流速控制在0.61.2m/s，以保持输送足够的流量；同时也保证管道内流体保持紊流状态(流体的雷诺数 Re3000)，以确保流体与管道内壁之间的传热效果。(4)确定埋管间距 垂直地埋管换热器计算的基础是单个钻孔的传热分析，由以下公式进行计算: (1) 6式中：岩土体的热扩散半径，m； ：岩土体的热扩散率，m2/s； S：岩土体的热扩散时间，s。 那么，夏季扩散半径（整个空调运行时间约 100d）： 冬季扩散半径（整个空调运行时间约 120d）： 地源热泵的
10、地埋管换热器是利用土壤的热导性进行换热，当地埋管换热器长时间运行，井之间换热会相互干扰，为避免换热短路，应选择合理的布井间距。根据冬、夏季扩散半径计算结果，当埋管间距大于3.5m 时，其大地热阻的干扰影响已经很小。同时本工程由于场地限制，竖井需结合桩位布置，在大于 3.5m 的范围中，最终确定埋管间距为4.2m，既满足冬、夏季扩散半径要求，也同时满足地源热泵系统技术规范规定中埋管间距为 36m 的要求。 (5)竖井埋管管长计算 根据专业公司对此地埋管进行的热响应试验，在深度 100m，间距4.2m，钻孔直径为 150mm，采用单 U，管径为 De32，回填材料导热系数1.8W/(m)的条件下，
11、测得垂直单 U 形管埋管的换热能力为 55W/m（井深） 。根据垂直单 U 形管埋管总长度计算公式： （2） 式中:埋管总长，m； :土壤换热负荷，kW； 7:垂直单 U 形管埋管的换热能力，W/m。 因此，别墅 A 房型垂直单 U 形管埋管总长度为: L=2Q1000/552531000/551928（m） (6)确定竖井数目及间距 由于当地的地质情况为：0100m，多以黏土、砂为主。结合该地土壤情况及工程的实际使用情况和 PE 管的承压能力，确保土壤换热器使用的安全性，选取钻孔深度为 100m。将 H 代入下式计算竖井数目: （3） 式中 N:竖井总数，个； L:竖井埋管总长，m； H:竖
12、井深度，m。 因此，别墅 A 房型竖井数目 N=1928/(2100)=9.64(个)，取 10 个。综上所述并考虑各种因素，别墅 A 房型拟定的埋管方式为:单 U 形埋管，深度 100m，间距 4.2m4.2m，设计钻孔数量 10 个。 2.4.4 地埋管系统特点 本项目中别墅为叠加别墅，各户系统分开，但地源热泵机房共有，每 23 户共用 1 个机房。根据该别墅的机房共用布置特点，单 U 型土壤耦合器布井时共用机房的几户土壤耦合器布井合并，并预留 2 个井，在每户的供、回水管上设置电动阀，这样保证地下换热器的可靠性，增加机组部分负荷时的换热效率，同时加大了换热面积，有利于解决地下负荷的冷、热平衡问题。 83结语 地源热泵作为一种环保节能的空调系统，正逐步被大家所关注和认可，但其容易受到场地制约、初期投资大等不利因素影响，在设计时应根据实际情况综合考虑。
