韶山宾馆地源热泵空调热水系统优化设计

周京林，李常春，王小纯

（1.广西鼎策工程顾问有限责任公司，广西 南宁 530028；2.广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004）

地源热泵系统因具有高效节能、绿色环保及可再生等特点，国内外众多专家、学者对地源热泵系统的设计及应用进行了大量研究。

Hughes P J.指出，当供冷负荷较大时，制冷所需的埋管长度要远大于加热所需的盘管长度，为降低初投资，可用冷却塔代替一部分埋地盘管，即混合型地源热泵系统[1]。

1995年Kavanaugh指出：除了土地的有限性、地下埋管费用太高等因素外，考虑采用混合系统的另一个主要原因是平衡全年从土壤中的取放热量，从而避免地下土壤“热积累”现象的发生[2]。

1998年，Singh以实际运行的混合地源热泵系统为对象，开展了其经济性的研究，结果表明：混合系统相对单地源热泵系统，虽然在运行与维修费用上略高，但初投资小得很多，混合系统总的经济性比较明显[3]。

2006年东南大学杨卫波等对混合地源热泵系统的控制策略、设计方法及其优化进行了研究[4]。2008年南京师范大学吴跃进、陈正顺对南京地区混合式地源热泵系统可行性与初投资进行了研究[5]。

2009年，湖南大学陈友明等对长沙地区一栋办公大楼混合地源热泵系统进行经济性研究，结果表明，采用新型混合地源热泵系统，比采用传统的地源热泵系统的初投资，节省约14％[6]。

我国中南地区属夏酷热冬寒冷气候，夏季需制冷，冬季需采暖，冷负荷和热负荷都比较大。本文以湖南韶山市韶山宾馆空调热水系统为实例，来研究夏热冬冷地区楼层不高的地源热泵空调热水系统优化设计方法，为该地区地源热泵空调热水系统设计理论和工程实践提供参考依据。

1 工程概况

宾馆位于韶山市韶山冲，距毛泽东故居约500 m，因接待过毛泽东、邓小平、江泽民等近百位党和国家领导人以及胡志明、西哈努克等100多位外国元首、政府首脑、政党领袖，被称为“国宾馆”。宾馆共有客房6栋，楼层最高为6层，标准客房200多套间，高中档床位360多个，大小会议室15个，大小餐厅15个，现有建筑面积约为5万m2。

宾馆目前使用的能源以煤为主，空调溴化锂冷水机组制冷机用蒸汽、卫生热水热源和少量厨房洗衣房用蒸汽，全都由燃煤蒸汽锅炉提供，年耗煤量约2 800 t，每年产生SO2为38.4 t以及烟尘4.0 t，给当地造成了极大污染。韶山宾馆所在地为风景区，对环境保护有很高的要求，当地政府明确要求宾馆在2010年拆除燃煤锅炉，改用清洁能源替代，于是宾馆的冷热源改造进入日程。

2 建筑空调热水负荷计算

2.1 空调负荷

项目各建筑空调冷热负荷估算如表1所示。

表1 空调负荷估算

空调使用系数，根据实以往经验选择0.85，因此宾馆空调的最大设计冷负荷和最大设计热负荷如下：

最大设计冷负荷3 765×0.85=3 200 kW；

最大设计热负荷2 580×0.85=2 193 kW。

2.2 生活热水负荷

按照国家对生活热水需求标准，宾馆生活热水需求量夏季设计为30 t，过渡季节设计为40 t，冬季设计为50 t。韶山市夏季自来水温度约为21℃，过渡季节自来水温度约为18℃，冬季自来水温度约为15℃，热水出水温度设定为50℃，则不同季节制热水需热量为：

夏季30（t）×29℃（温升）×1.163=1 011 kW

过渡40（t）×32℃（温升）×1.163=1 488.6 kW

冬季50（t）×35℃（温升）×1.163=2 035.2 kW

热水机组按照每天运行12 h计算，则夏季系统每小时所需要的热量为84.25 kW，过渡季节系统每小时所需要的热量为124 kW，冬季系统每小时所需要的热量为169.6 kW。

3 系统设计考虑因素

3.1 现有资源

韶山宾馆所在地雨水充足，浅层土壤含水丰富，土壤温度18～20℃，且宾馆占地较大，可用于地下埋管的面积较充足，韶山宾馆具备实施地源热泵系统的条件。根据建设单位所提供资料，天然气部门拟敷设燃气管道至宾馆所在区域，供气意向协议已签订，另外宾馆原有空调系统有4个流量为350 m3/h的冷却塔。改造工程可充分利用地热、天然气以及冷却塔等现有资源，减少工程初投资。

3.2 经济性因素

韶山宾馆作为宾馆，是以盈利为目的的单位。所以宾馆的空调和热水改造工程，必须要考虑到初投资成本、运行费用以及投资回收期等因素。地埋管地源热泵系统运行成本低，效果稳定，但相比天然气锅炉制热或水冷冷水机组制冷系统，多增加了地下埋管费用，工程造价上比这些系统要高很多。

3.3 地下土壤热平衡因素

宾馆最大设计冷负荷为3 200 kW，最大设计产暖负荷为2 193 kW，热水每小时最大设计热负荷为169.6 kW。冷热负荷相差非很大，如果单纯由地下埋管换热器承担，那么地下换热器的吸热和放热极不平衡，多余的热量就会在地下积累，引起地下土壤年平均温度的变化。

3.4 负荷波动性因素

宾馆空调和热水负荷需求具有有波动性，随着室外温度的波动以及宾馆入住率的不同，空调和热水负荷需求也随之发生变化。根据建设单位提供的2009年9月至12月日耗煤量统计，可以得出该时间段内宾馆负荷分布情况见下表2。

表2 宾馆负荷分布情况

从表中可看到，空调和热水在满负荷的80％～100％工况下运行时间比较短，该工况所提供的总负荷占全年总负荷的比例也比较少，大约占10％左右。

4 系统设计

4.1 方案设计

基于现有资源及政治性、经济性、负荷波动性和地下土壤热平衡等因素综合考虑，韶山宾馆空调热水改造项目设计，采用冷却塔+燃气锅炉+地源热泵混合的空调热水冷热联供系统，图1为系统原理图。该系统以地源热泵制冷和采暖为主，冷却塔散热和燃气锅炉供热为辅。地源热泵按系统空调产暖最大设计负荷的80％即1 754.4 kW（2 193 kW×80％）和冬季最大热水需热量169.6 kW设计，剩下的20％空调热负荷，由燃气锅炉承担。地源热泵与燃气锅炉设计采用串联运行模式，通过空调水温控制锅炉的运行。

图1 韶山宾馆地源热泵空调热水系统图

夏季空调制冷，则由地下埋管换热器和冷却塔共同承担。对于同一台热泵机组，制热量比制冷量稍大一点，制冷时机组向外界散发的热量，比制热时从外界吸收的热量要多，又考虑到宾馆高层只有6层，因此系统设计采用冷却塔与地下埋管换热器并联连接运行方式，通过控制冷却水温度来控制冷却塔的启停。并联连接运行方式下，地下埋管换热器可以按热泵机组的制热量为设计依据，从而减少了地下埋管换热器的初投资，也有助于地下土壤热平衡。热泵机组冬天制热所需热负荷全部由埋管换热器去提供，热泵机组夏季制冷的冷凝热，主要由埋管换热器承担，剩下的热可以由冷却塔承担。

考虑到系统既有热水需求，又有空调制冷需求，系统设计采用空调热水冷热联供方式，夏季用空调制冷产生的冷凝热制热水，热水耗能。另外，系统的热水需求量具有比较大的波动性，随着季节的不同，热水需求量差异比较大，一般冬季需热水量大，夏季需热水量少。为了在热水变负荷工况下节能以及便于控制，系统采用独立的地源热泵热水机组。

4.2 机组和设备选型

（1）地源热泵空调机组。地源热泵空调机组选用2台型号分别为MWH160CC和MWH220CC的水—水螺杆式水源热泵机组。

MWH160CC机组参数为：制冷量532 kW，耗电量为116 kW；

MWH220CC制热量为773 kW，耗电量为144 kW；

机组参数为：制冷量675 kW，耗电量为144 kW；制热量为977 kW，耗电量为180 kW。

MWH160CC和MWH220CC两台热泵机组总的制热量为1 750 kW，能满足最大设计产暖负荷的80％的要求。

（2）锅炉。燃气锅炉选择功率0.45 MW的锅炉，锅炉制热量为450 kW。

（3）地源热泵热水机组。地源热泵热水机组选用2台D100和1台D150地源热泵热水机组。

D100机组参数：制热量为52 kW，制冷量为41 kW，耗电量为12.4 kW；

D150机组参数：制热量为89.8 kW，制冷量为71.1 kW，耗电量为21.4 kW。

夏季只开启D150热水机组制热水，过渡季节就采用1台D100和D150联合运行制热水，冬季则3台热水机组全部开启。

（4）水冷冷水机组。水冷冷水机组选用2台型号分别为EKSC245和EKSC310的螺杆式水冷冷水机组。

EKSC245机组参数：制冷量为 868.4 kW，耗电量为176.4 kW；

EKSC310机组参数：制冷量为1 094.8 kW，耗电量为226.6 kW。

夏季2台WMH型螺杆式水源热泵机组、2台EKSC型螺杆式水冷冷水机组制冷量和1台D150热水机组总制冷量为3 241 kW，完全可以满足宾馆夏季供冷高峰的需求。

5 地下埋管换热器设计

5.1 地下埋管换热器设计的负荷依据

宾馆地埋管换热器换热量，以冬季热泵空调机组和热水机组的制热量为设计依据，2台热泵空调机组和3台热泵热水机组总的制热量为1 944 kW。由下述公式可以计算出制热时地埋管需要从地下吸取的热量

其中，

Q'2为冬季热泵机组制热时地下埋管换热器从土壤吸取的热量，kW；

Q2为冬季热泵机组的总制热量，kW；

COP2为设计工况下热泵机组的制热系数，根据已有系统测试，COP2取值为4。

5.2 地下埋管换热器设计

初步设计地埋管钻井总数为540口，每口井深度设计为50 m，井与井间隔4.5 m，采取双U形式。换热管选用1.60 MPa的DN25 PP-R冷水管，联结方式设计采用并联同程式。

6 结束语

分析了宾馆空调热水设计需要综合考虑的经济性、负荷波动性、地下土壤热平衡以及现有资源等因素；综合初投资成本、节能性、地下土壤热平衡以及负荷波动性等因素考虑，因地制宜、因工程制宜将系统设计采用冷却塔+燃气锅炉+地源热泵混合的空调热水冷热联供方式；考虑到系统冷热负荷不均，系统设计采用冷却塔和地下埋管换热器并联运行模式，以冬季制热量作为热泵机组的选择依据，并以冬季热泵机组的总制热量作为地下换热器的负荷设计依据。该系统具有高效节能、初投资和占地面积相对纯地源热泵要少、消除地下冷热不平衡以及有效利用现有资源等优势。

[1]Hughes P J.Survey of water-source heat pump system configurations in currentpractice [J].ASHRAE Transactions，1990，90012（1）：1021-1028.

[2]Kavanaugh S P，K Rafferty.Ground-Source Heat Pumps：Design of geothermal systems for commercial and institutional buildings[M]. Atlanta：ASHRAE，lnc，1997.

[3]Chiasson.A.D，J.D.Spider，S.J.Rees，et al.A model fox simulating the performance of a Pavement Heating System as Supplemental heat rejecter with closed loop ground source heat pump systems[J].ASME Journal of Solar Energy Engineering，2000，（122）：183-191

[4]杨卫波，施明恒.混合地源热泵系统（HGSHPS）的研究[J].建筑热能通风空调，2006，25（3）：20-26.

[5]吴跃进，陈正顺.南京地区混合式地源热泵系统可行性与初投资的探讨[J].流体机械，2008，36（8）：70-72.

[6]陈友明，李季勋.夏季新型混合地源热泵系统经济性分析[J].湖南大学学报，2009，36（12）：114-118.