别墅型建筑地源热泵空调系统设计

谢应明　王树豪

摘 要： 地源热泵是一种利用土壤所储藏的太阳能资源作为冷热源进行能量转换的供暖制冷空调系统，通过输入少量的高品位能源（如电力、机械功、燃气和液体燃料），实现热量从低温热源向高温热源的转移.以上海某小型别墅为对象，设计了一套家用地源热泵空调系统.首先计算了夏季冷负荷和冬季热负荷，然后根据冷、热负荷选择一套水源热泵机组（MWH080CR型机组）和相应的风机盘管，进行了室内水管环路系统、土壤热交换器和地板采暖的设计选型，最后对系统的能效比进行了计算.结果表明，该空调系统具有节能环保、稳定可靠、舒适耐用等优点.

关键词： 地源热泵系统； 地埋管换热器； 地板采暖； 风机盘管

中图分类号： TQ 051.5；TU 243 文献标志码： A

Design of ground source heat pump air conditioning system in a villa

XIE Yingming，WANG Shuhao

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for

Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： Ground source heat pump uses the solar energy stored in soil as a heat source for heating and refrigeration.This air conditioning system was operated through the import of a small number of highgrade energy （such as electricity，mechanical power，and gas or liquid fuels） to transfer this heat from low temperature heat source to high temperature heat source.The design of a ground source heat pump system for a small villa in Shanghai was described in this paper.Firstly，the cooling load and the heating load of the villa were calculated.Secondly，a watersource heat pump （Integrated horizontal MWH008CR，McQuay Air Condition Ltd model） and its corresponding fancoil units were chosen.Thirdly，the indoor waterpipe loop system，ground source heat exchanger，and floor heating system were designed and their corresponding water pumps were selected.At last，energy efficiency of this system was calculated.It could be concluded that this ground source system has the merits of energy saving，environmental protection，high reliability，comfortability，and durability.

Keywords： ground source heat pump； ground heat exchanger； floor heating system； fancoil unit

地源热泵是一种利用浅层土壤或含水层实现供热和空调制冷的高效节能设备[1].通过输入少量的高品位能源（如电力、机械功、燃气和液体燃料），实现热量从低温热源向高温热源的转移.已有研究[2]表明：5 m以下的地下土壤温度基本不随外界环境及季节的变化而改变，相当于当地年平均气温，即土壤具有较好的蓄能特性.因此，土壤是一种理想的冷/热源.地源热泵作为一种节能环保型空调装置，已被各国政府确立为值得大力推广应用的新型空调技术[3].

上海属于夏热冬冷地区，最热月平均气温达30.2℃，最冷月平均气温为4.2℃，其气候条件适合推广地源热泵.上海地区的浅层土是以黏土、亚黏土及粉砂为主的软土，属第四纪积层，且土壤潮湿，地下水位高，是埋管系统较合适的土壤类型.另外，别墅建筑一般带有花园，具备供地源热泵系统布管的土壤面积，因此在上海地区别墅建筑中采用地源热泵空调系统是完全可行的.

1 设计方案的确定

该别墅位于上海浦东新区，总建筑面积为220 m2.该别墅分为车库、厨房、大厅、卧室、卫生间等若干区域，其中，空调房间面积为154.85 m2，地上三层，地下室作为机房，每层层高均为3 m，周围有足够面积的空地供地源热泵系统布管.

经现场对深层土壤导热系数进行测试发现，该别墅所在地土壤导热性能良好，适合作为热泵系统的冷/热源.综合考虑节能环保要求以及现场具体情况和业主要求，该别墅采用家用地源热泵空调系统.

2 负荷计算及送风量确定[4 5]

夏季房间的冷负荷包括建筑维护结构传入室内热量（太阳辐射进入的热量和室内外空气温差经维护结构传入的热量）形成的冷负荷、人体散热形成的冷负荷、灯光照明散热形成的冷负荷、其它设备散热形成的冷负荷以及新风带入的冷负荷.经计算，夏季别墅冷负荷及送风量如表1所示.新风带入的冷负荷QW=5 632 W，因此，别墅夏季总冷负荷Q为房间的冷负荷Qa和QW之和，即Q=Qa+QW=27.6 kW.总送风量为2 705 m3·h-1.

3 土壤源热泵系统的设计

土壤源热泵系统设计主要包括热泵机组的选择、地埋管换热器的设计、室内水管环路系统的设计以及地板采暖系统的设计.土壤源热泵系统如图1所示.

3.1 热泵机组的选择

由于各个房间使用功能、使用时间均不同，住宅空调的同时使用系数较低，一般在0.5～0.8之间.考虑到别墅住宅的舒适性和同时使用率较高的特殊情况，使用系数取为0.8.因此Q=27.6×0.8=22.1 kW.根据冷负荷确定选用MWH系列整体式水源热泵的MWH080CR型机组，其机组性能参数如表2所示.

3.2 地埋管换热器的设计及泵的选型

为保证各环路之间水力平衡，并综合考虑经济性和防腐性，本文采用单个U形管[6]并联的同程式系统，管材选用高密度聚乙烯（PE）管.考

图1 土壤源热泵系统

Fig.1 Ground source heat pump system

式中：W为机组水流量，L·s-1，该机组为1.47 L·s-1；di为竖埋管内径，mm，竖埋管选用De25管子；v为竖埋管管内流速，m·s-1，此处取v=0.65 m·s-1[8].

经计算，n=6.93，取整为7.

对竖直单U形管，孔深l可根据式（5）确定，即

l=L2n=43.7 m

（5）

综合考虑当地地质、钻孔的难易程度、施工费用以及可用于布置地埋管换热器的场地面积，将孔深确定为45 m，钻孔直径为80 mm，钻孔内U形管换热器底部距井底1.0 m，U形管换热器长度44 m.土壤热交换器平面布置如图2所示，各环路管径图中己说明，标号1～7为钻孔位置.

水泵扬程Ph包括最不利环路上管路压力损失、热泵机组的压力损失、环路上平衡阀和其它设备元件的压力损失[7]，即

Ph=k1（hf+hd+hm）

（6）

式中：k1为附加系数，单台水泵工作时k1=1.1；hf为总沿程阻力，Pa；hd为总局部阻力，Pa；hm为设备压力损失，Pa.

图2 土壤热交换器平面布置

Fig.2 Layout of soil heat exchanger

经计算，hf=47 001 Pa，hd=6 608.2 Pa，hm=16 kPa，Ph=75 068 Pa.因此，选用单级单吸卧式离心泵ISW32

125.

3.3 室内水管与风机盘管的设计

3.3.1 室内水管环路系统设计[9]

（1） 送风口的位置及回风布置

该别墅的独立区域有卧室、起居室、大厅、厨房、卫生间等共计10处.考虑到各个区域的实际空调效果要求及可能的独立制冷需要：大厅和起居室面积大，分别设置两个送风口，采用顶送风上回风；卫生间出于简洁和经济性考虑不单独设置送风口，这也可防止其产生的异味通过回风管通至其它房间，造成二次污染；楼道、车库及三楼过道不送风；厨房送风但不回风；除客厅外，其余送风房间的送风口均设置在进门口，采用侧送风侧回风的送风方式.

（2） 水管系统设计

水管系统设计主要包括管材的选用、水管管径的确定和水管阻力的计算.本文选用镀锌钢管，然后根据合理的管内流速，确定最佳管径.计算得最到不利管路阻力为28 910 Pa，最大流量为4.27 m3·h-1.因此，选用单级单吸卧式离心泵ISW32

125.

3.3.2 室内风机盘管的选型

根据各个房间的制冷量及送风量要求，选择风机盘管机型，其中：一楼大厅选择卡式嵌入型风机盘管MCKW800A和卧式暗装风机盘管MCW300C；二楼活动室选择立式暗装风机盘管MFCW300A；二楼厨房、餐厅，以及三楼主次卧均选择卧式暗装风机盘管MCW200C；三楼起居室选择立式暗装风机盘管MFCW200A.

3.4 地板采暖系统的设计

地板辐射供暖是一种利用建筑物内部的地面进行供暖的系统，是一种新型的环保采暖方式.典型的埋管式地板辐射供暖结构如图3所示[10].

3.4.2 泵的选型

流量

G=KQΔt·c

（7）

式中：Δt为设计供水和回水温差，取为10℃；c为水的比热，c=4.2×103 J·kg-1·℃-1；K为储备系数，取为1.3.

经计算流量G=2.38 m3·h-1.因此选用单级单吸卧式离心泵ISW20

110.

3.5 系统能效比计算

该系统能效比为热泵机组的制冷量或制热量与所有耗电设备的功率之比，其中：泵所消耗的功率P=1 670 W；热泵机组的制冷、制热功率分别为Pa、Pb，取值如表2所示.

夏季能效比

β1=Q0Pa+Pc

（8）

冬季能效比

β2=QkPb+Pc

（9）

式中，Pc为水泵功率.

经计算，β1=3.08，β2=3.49.

4 结 语

本文以上海某别墅为对象，根据工程建筑负荷特点和当地的地质资料设计了一套家用地源热泵空调系统.经计算，该系统夏季和冬季的能效比分别为3.08和3.49，达到了节能和环保的效果.此外，该系统还具有运行稳定可靠、舒适程度高、使用寿命长、应用范围广等特点.

参考文献：

[1] 焦文静，戴传山.我国地源热泵相关技术专利综合分析[J].能源研究与信息，2012，28（1）：1-2.

[2] 胡松涛，郭潇潇，李绪泉.地源热泵技术在生活热水供应中的应用[J].流体机械，2007，35（9）：62-64.

[3] 汪洪军，李新国，赵军，等.地下耦合地源热泵机组冬季供热性能分析与实验研究[J].流体机械，2003，31（12）：51-54.

[4] 赵荣义.简明空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[5] 李岱森.简明供热设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[6] FLORIDES G，KALOGIROU S.Ground heat exchangersa review of systems，models and applications[J].Renewable Energy，2007，32（15）：2461-2465.

[7] 蒋能照，刘道平.水源·地源·水环热泵空调技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2007.

[8] 王鹏英.上海地区别墅建筑地源热泵空调系统设计[J].暖通空调，2003，33（6）：80-83.

[9] 寿炜炜，姚国琦.户式中央空调系统设计与工程实例[M].北京：机械工业出版社，2004.

[10] 扬炎如.第二届中国家用/商用中央空调应用技术研讨会论文集[C].上海：中国制冷空调工业协会，2003.第31卷 第2期能源研究与信息Energy Research and InformationVol.31 No.2 2015