南方地区小型地源热泵工程方案探讨与优化

■杨伟杰，杨正玉，杨春杰，权芹钢

■1.四川环宇建筑设计有限公司，四川 成都 610000;2.江苏省地质矿产局第三地质大队，江苏 镇江 212001

地源热泵工程设计需要考虑多个方面，设计质量直接关系着工程的运行情况，目前地源热泵的推广工作主要是设备商，地源热泵设计往往仅考虑建筑物规模、性质等，对地质情况往往不清楚，造成很多工程应用不合理，甚至造成地质环境破坏。地源热泵推广的另一个特点是初投资较大，需要进行部分钻孔施工，室外工程费用占据整个工程的1/3 左右，回收期较长，阻碍了地源热泵的推广。本文通过对地质条件研究及建筑物特点通过改进设计，保证了工程的运行效果，减少了初投资。

1 工程概况

本工程位于江苏省句容市，建筑物为一小型单体建筑，空调面积约为440 平方米，地下一层，地上两层。根据甲方要求及区域气象特点，夏季空调制冷期约为120 天，冬季供暖期约为90 天，全年提供生活热水，冬季采用低温热水地板辐射供暖。

2 设计方案

2.1 工作思路

设计内容主要包括地源热泵主机房设备、室外地埋管换热器以及室内空调末端三个主要部分。

(1)地源热泵主机房设备主要为带热回收地源热泵机组。热泵机组通过水路切换阀完成冬夏切换，通过温度控制系统来控制循环水的温度，达到室内的温度和湿度的要求，同时可以通过调整生活热水用量，使计算周期内，地源热泵系统夏季总释热量与冬季总吸热量相平衡。

①冬季空调侧进出水温度为40/45℃，地埋管换热器侧进出水温度为10/5℃;②夏季空调侧进出水温度为12/7℃，地埋管换热器侧进出水温度为25/30℃;③生活热水进出水温度为40/55℃。

克莱门特地源热泵机组是国际知名品牌，该机组质量可靠、运行稳定、控制操作简单、并且该机组配设保护报警功能和故障处理能等。

本次选用的是克莱门特新型多功能机组，具有制冷、供暖、四季热水等功能，通过热回收提供生活热水。其机组集成度高，空调侧和地源侧水泵、生活热水水泵均已集成在机组内，用户无需单独配置水泵。

(2)室外换热器:首先根据建筑物面积、使用性质等因素，对整个系统负荷进行初步估算;选择热泵机组的型号、规格;根据建筑物地层换热能力来确定埋管的深度和数量。根据规范要求，本项目为小型建筑物，不需要专门进行现场热交换试验，每延米换热量等设计参数可通过规范、经验及区域浅层地热评价等资料获得。冬季热泵系统通过地埋管换热器从地下提取热量，夏季释放热量。管材采用的是高密度聚乙烯管，一般采用双U 型地埋管方式，进行钻探、试压、填料等程序，通过水平连接管汇集后接入机房。

(3)室内空调末端系统形式:风机盘管+低温热水地板辐射供暖+新风换气系统+生活热水系统。

地上两层:利用风机盘管进行室内制冷，利用地板辐射对室内进行供暖。地下一层:利用风机盘管进行室内制冷，利用地板辐射对室内进行供暖;利用新风换气机组对地下室空气湿度及空气质量进行调节。

2.2 设计方案

方案阶段，根据建筑物特点进行负荷估算:冬季热负荷指标约60W/m2，估算热负荷26.148kW;夏季冷负荷指标约80W/m2，估算冷负荷34.864kW。

地源热泵机组:机房配置克莱门特AQSW DHW0091 热泵机组42.8/39(kW);空调冷热水循环泵组:选用热泵机组内置有3 台AQSW DHW0101 热泵机组内置水泵。本工程机房设备配电容量为13.5KW。

垂直钻孔数量的确定:冬季地埋管换热孔的延米换热量暂按50W/m 计算，夏季地埋管换热孔的延米换热量暂按55W/m 计算。根据以上数据及机组吸/排热量，计算出在冬季工况下换热孔延米数为761m，夏季工况下延米数为936m。从以上计算可以看出，应以夏季工况设计地埋管数量，单孔深设计100m，则需要换热孔数10 个。

换热孔直径不小于152mm，孔间距不小于5.0 米进行布置，水平连接管埋设在别墅周边空地下面，距地面1.6 米以下，不影响地面美观及使用;换热管按双U 型布置。填料采用含有水泥、砂子的混合物。

室内地板采暖方案:地下一层空调面积100m2，热负荷6000w，室内设计温度20 度，取供回水温度40/45℃，每米管长散热量26.54w/m2，管长226m，校正值为428m。

一层空调面积168m2，热负荷10080w，度20 度，取供回水温度40/45℃，每米管长散热量26.54w/m2，管长379.8m，校正值806m。

二层空调面积168m2，热负荷10080w，度20 度，取供回水温度40/45℃，每米管长散热量26.54w/m2，管长379.8m，校正值806m。

3 设计方案优化

(1)根据场地地质情况，场地地层为黄土层，厚度约12 米，下覆基岩为强风化-中风化砂岩。通过区域浅层地温能调查资料，冬季地埋管换热孔的延米换热量为58W/m 计算，夏季地埋管换热孔的延米换热量为65W/m 计算。区域上地表水丰富，地下水主要为基岩裂隙水。地下水较为丰富，附近单井涌水量可达540m3/天。场地基岩的导热率可达2.59w/(m·℃)，换热效率较好，丰富的地下水条件，成为能量交换和储存的重要通道。

(2)根据建筑物特点，需要进行地下室的修建，基础标高在-3.5米，可以在基础开挖过程中在地下室部分进行水平管的铺设，减少钻孔数量。

地下室底板下采用水平埋管的形式，埋管长度大约300m。地下周围肥槽采用水平螺旋埋管，肥槽长度54m，埋管长度大约600m。

水平埋管夏季换热量经计算可以达到10740w;冬季换热量8970W。

根据以上水平埋管换热量及机组吸/排热量，计算出在冬季工况下换热孔延米数为444m，夏季工况下延米数为539m。从以上计算可以看出，应以夏季工况设计地埋管数量，单孔深设计100m，则需要换热孔数6 个。

4 投资分析与运行费

原方案投资包括机房设备12.35 万元，末端工程10.32 万元，室外工程11.2 万元，其余设计费、管理费、税金等2.4 万，总投资36.27 万元。通过设计优化，减少室外工程4 个钻孔，钻孔费用减少3.6 万元。

运行费用分析计算假定，能效比cop=制冷/热量与输入功率的比值为0.65;每年制冷4 个月120 天，平均每天工作16 小时共计1920 小时;每年制热3 个月90 天，平均每天工作16 小时共计1440 小时;约定电价单价为0.50 元计算;约定天然气价格2.05 元/m3

(1)地源热泵系统设备能耗

总冷负荷量:25KW 总热负荷:15KW

制冷:13.5x1920 ×0.50 ×0.65=8164(元)

制热:13.5x1440 ×0.50 ×0.65=6318(元)

因此地源热泵全年运行费用:14482 元。

风冷热泵中央空调方案+燃气采暖运行费用:

传统风冷+燃气系统系统设备能耗总冷负荷量:25KW;总热负荷:15KW;天然气:4.80m3/h;设备耗电:0.5KW。制冷费用为13942(元);制热:12351(元)。

因此风冷+燃气系统的全年运行费用是26293 元。

5 结论语

(1)本设计通过对场地区域地质、水文地质资料的分析，对地层每延米换热量进行了校正和分析，使设计计算更加合理。

(2)根据建筑物特点增设水平埋管，减少钻孔数量，减少初投资10%左右。

(3)南方地表水水系较为丰富，很多水塘面积较大，深度较大，具体一些工程可以通过地表水式和埋管式相结合的方式，在达到工程设计的同时，减少初投资。

(4)通过投资及运行费分析，系统节能效果明显，年运行费可节约11811 元。

［1］《地源热泵工程设计规范》(GB50366 -2005).

［2］陈科，谭庆收.别墅地缘热泵设计与案例分析［J］.中国建设细细供冷制热，2008.

［3］张素云.水平埋管换热器地源热泵实验研究［D］.重庆大学硕士学位论文，2001.

［4］《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736 -2012).

［5］陆耀庆.实用供热空调设计手册，(第二版).