南郊农场办公楼地源热泵空调系统设计实例分析

摘要：文章结合具体工程实例分析地源热泵空调系统在南郊农场办公楼的应用情况，从技术和经济两个方面表现地源热泵空调系统的运行特点和理想的节能效果。文章特将该系统和传统的水冷螺杆机组+燃气锅炉系统做出比较，更清晰地突出了地源热泵空调系统的优势。

关键词：地源热泵；顶棚辐射；水环热泵；经济效益

中图分类号：TK529 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）23-0014-03

通常，土壤在超过地面之下3m时，温度全年比较稳定，通常徘徊在10℃～25℃之间。相对于空气源热泵，地源热泵制冷、制热系数要高约40%，达到3.5～4.4的水平，而其运行费用却不到普通中央空调的一半。相对于传统的水冷螺杆机组+燃气锅炉系统，地源热泵空调系统占用的建筑空间小得多，且更易维护，仅需定期清理空气过滤网及凝结水盘即可。另外，该系统环保效果也很理想，无污染，无噪声。总之，地源热泵空调系统由于其独特的优势，受到业内人士广泛的重视和采用。

1 工程概况

南郊农场地跨大兴、丰台、房山三区，地处城乡结合部，南郊农场办公楼总建筑面积13000m2，地上建筑面积9000m2，地下建筑面积4000m2，地上部分分主楼和附楼，主楼主要功能为办公，附楼主要为休息、接待场所。地下主要功能为设备用房及汽车库。建筑高度12.3m。

2 地源热泵空调系统设计

2.1 主要技术指标

本空调覆盖区域的主要技术指标设计如表1、表2所示：

2.2 空调系统选型及工作原理

主楼办公区的供冷及供暖采用的是垂直地埋管地源热泵空调+顶棚辐射系统，而附楼采用的复合型地源热泵空调系统为水环热泵+冷却塔+地埋管。工作原理分别参见图1、图2所示：

2.3 冷热源设备

通过负荷验算，主楼选用1台MWH180CB型土壤源热泵机组，其制冷量为626kW，制热量为494kW，其采取了顶棚辐射进行供冷和供暖的措施。夏季，冷水由地源提供，分为2路，一路通过板式换热器为楼板埋管供水，供回水温度为17℃～21℃；另一路用于屋顶的新风机组，夏季新风机组供回水温度为7℃～12℃。在冬季，热水通过地源获得，冬季楼板埋管空调供回水温度为25℃～29℃，而新风空调机组供回水温度为30℃～35℃。为达到空调夏季热平衡的目的，于夜间及负荷较低时段运行供楼板埋管系统将建筑预冷，并蓄冷于楼板，而于负荷高峰时段进行机械制冷时，楼板起辅助供冷作用。附楼的水环热泵+冷却塔+地埋管系统于夏季进行地埋管散热，辅以闭式冷却塔散热。水环路热泵（WLHP）空调系统的原理为在建筑物的内区需供冷同时外区需供热的情况下，将内区热量转移到外区，调整整个建筑内部的能量供求以达到一个平衡状态，这样可停运室外的冷热源，其经济效益十分可观，能量消耗也少。该主机采用分散式水环热泵机组，夏季冷却水供回水温度为30℃～35℃。

2.4 土壤换热系统

室外土壤换热采用的是垂直埋管系统。请地质专家勘查项目场地，且需测试土壤热物性。室外换热管长度和数量的选择需考虑到项目场地地质、水文情况和测井数据，并通过专业设计软件进行计算。充分考虑需求，一共装设90组垂直U型换热管埋深80m。

2.5 室内末端风、水系统

分别设置2组空调水系统和地埋管系统，分别独立应用于主附楼两个区域。附楼采用吊装式水环热泵空调机组+新风预处理机组。主楼采用顶棚辐射+置换式新风系统，于夏季为进行室内降温，将循环冷水注入辐射管网；于冬季为进行室内升温，将循环热水注入。室内潜热负荷由新风系统承担，新风机组由转轮式全热回收，送风由地板，排风由走道天花。顶棚辐射为楼板埋管，具体如图3所示：

3 地源热泵空调系统与传统水冷螺杆冷水机组+燃气锅炉系统的比较

当前，我国大中型建筑以“冷水机组+锅炉”作为中央空调冷热源形式占绝大多数，虽然该类系统具有高效率、高效果的优点，但运行耗能大。在此笔者结合该工程，从节能和经济方面比较分析地源热泵和“冷水机组+锅炉”两种冷热源的空调系统。

3.1 初投资比较

本项目中热泵空调系统初投资约220万元，其中地源热泵130万左右（包括室外地埋管、钻孔、土方等支出），卧式整体水环热泵75万左右，循环水泵约3万，冷却塔2万，其他10万左右。而采用传统的“冷水机组+锅炉”空调系统初投资约190万元，其中冷水机组80万左右，燃气热水锅炉90万左右，循环水泵约6万，冷却塔4万，其他10万元。

通过上述分析，相对于常规的空调系统，地源热泵空调系统的初投资更高，高出220-190=30万元。

3.2 运行费比较

设空调系统年供冷时间为1200h，年供热时间为960h，并设在负荷为100%、75%、50%和25%的情况下，系统供冷和供热时间分别占总时间的10%、30%、50%和10%，按照此假设进行冷热源设备年运行费用的计算和分析，参见表3所示：

通过表3得知，二者运行费差别为42-30=12万元/年，地源热泵系统的简单回收期约为30÷12=2.5年。该地源热泵机组设计使用年限为20年，而室外地埋管设计使用年限为70年，相对于传统空调系统，该地源热泵空调系统运行20年节省的费用为：12×20=240万元。

4 自动控制

4.1 主楼水泵控制方式

根据不同时候的负荷大小，该地源热泵空调系统设置压差旁通阀来调整地源热泵的数量。

4.2 附楼水泵控制方式

当系统处于空调季节，参考水环热泵负荷最不利环路的侧压差，首先将冷却塔开启并进行变频运转控制，在冷却水泵运行停止后，对地源热泵变频运转进行控制；当系统处于过渡季节，参考水环热泵负荷最不利环路的侧压差，首先将地源侧水泵开启并进行变频运转控制，在地源侧水泵运行停止后，对冷却塔水泵变频运转进行控制。

4.3 新风机组控制方式

当系统处于空调季节，将转轮式热交换器进行开启，并将排风中全热负荷进行回收；当系统处于过渡季节，将转轮式热交换器进行关闭，而将对应的新排风旁通风阀进行开启，另外，装设空气净化器于空调箱混合段后。

5 结语

相对于常规空调系统，地源热泵空调系统在节能和经济方面占据很大优势，本工程实例的分析计算结果显示，相比较传统的水冷冷水机组+燃气锅炉空调系统，地源热泵空调系统的初投资多出15.8%，而年运行费却节省约28.6%，仅2.5年左右就可简单回收。实际上，应用地源热泵时还需要考虑土壤和岩石特性对施工效果和初投资的影响，并且做好如土壤热物性参数、最佳匹配参数及动态特性的方面的研究，这些都是设计工程人员必须思考和总结的问题，对地源热泵应用的可行性的提高具有重要的意义。

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作者简介：游荣（1981—），贵州人，供职于北京龙安华诚建筑设计有限公司，研究方向：暖通设计。