重庆某办公楼地源热泵系统设计

苏立群 卢 军



重庆某办公楼地源热泵系统设计

苏立群 卢 军

（重庆大学 重庆 400045）

介绍了重庆某办公楼地源热泵+温湿度独立控制系统的空调方案选择，并对地源热泵系统进行了详细设计，讨论分析了地埋管换热器的设计及地源热泵机组设计工况和系统运行控制方案，并对采用地源热泵系统的全年运行能效和效益进行了预测和分析。

地埋管地源热泵系统；地埋管换热器；机组设计工况；系统能效；效益

0 引言

重庆市自从直辖以来，由于各种政策原因，国内的中小企业纷纷入驻，能源消耗的强度越来越大。而在目前的能源消耗中，建筑能耗又占有很大的比例，根据发达国家的经验，随着人民生活质量的改善，建筑能耗所占的比例还将上升，最终达到35%～40%[1]。暖通空调耗能是建筑能耗的大户，其能耗比例已超过建筑能耗的50%（图1）。据相关文献报道：重庆市建筑总能耗中的53.99%又是来自暖通空调能耗。所以通过以上的资料我们可以看出，如果想在很大程度上缓解能源供应压力，在建筑物中大力利用浅层地温能资源是有效的方法。

土壤源热泵空调冷热源系统作为浅层地热资源在建筑中应用的最直接方法，近年来得到了大力的发展和推广。2005年以来，天津大学、长安大学、重庆大学都对地源热泵进行了细致的研究，例如地埋管地源热泵在长时间工作的情况下，土壤温度变化规律以及对换热的影响；U型管的优劣以及波纹管的增强对换热性能的影响等等[2-4]。现阶段我国地源热泵服务面积超过1亿平方米[5]，全国各地地源热泵都在快速发展。

图1 我国建筑能耗分析图

本文以重庆市实际项目为例，分析了重庆市某办公楼建筑的地源热泵系统设计。

1 工程概况

1.1 项目背景

重庆市地下岩土的温度全年平均在18℃～20℃左右，岩石结构好，密度大、导热系数高，地下埋管换热性能比北京、上海约高15%～20%。目前，重庆市已有多个地源热泵项目，从运行状况来看，这些项目都取得了不错的效果。同时，为了应对能源所面临的严峻形势，推进可再生能源在建筑中的发展应用工作的开展，重庆市颁布了《可再生能源中长期发展规划》、《重庆市建筑节能“十一五”发展规划纲要》等一系列的文件，根据这些文件精神，结合重庆市当地的实际情况，经过技术和经济分析，本项目空调的冷热源方案将采用地埋管地源热泵系统。

1.2 项目简介

本工程位于两江商务中心区，建筑限高24m，总建筑面积36371.8m2，共地上5层，地下2层。地上均为办公室及配套，地下为设备用房及车库。详细楼层分布概况如表1所示。

表1 楼层分布概况一览表

2 空调系统设计

2.1 空调负荷分析

表2 全年逐时动态负荷计算结果汇总

为保证空调系统的良好设计，本文采用DeST负荷模拟运算软件对其进行该建筑全年8760小时的空调系统负荷进行逐时计算。计算中所有参数设置均来自《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012、《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005以及《重庆市公共建筑节能设计标准》DBJ50-052-2006等国家或地方现行规范标准。计算结果如表2和图2所示。

图2 冬夏空调季节逐时空调负荷分布图

2.2 空调技术方案选择

本项目所采用的空调技术方案为地源热泵系统加温湿度独立控制空调系统。其实现形式为土壤源热泵系统加溶液调湿新风系统。

2.2.1 土壤源热泵系统原理

土壤源热泵系统，就是利用地下浅层土壤能量，通过地下埋管内的循环介质与土壤进行闭式热交换达到供冷供热目的。夏季通过热泵将建筑内的热量转移到土壤下，对建筑进行降温；冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑供暖。因为土壤具有一年四季温度稳定的特点，通常土壤源热泵消耗1kW的热量，用户可以得到4kW左右的热量或冷量，从而达到节能的目的，而且在系统运行过程中，不产生任何有害物质，实现了环保的功效。土壤源热泵的工作原理如图3所示。

图3 土壤源热泵原理图

2.2.2 溶液调湿新风系统原理

图4 溶液除湿机夏季运行工况

图5 溶液除湿机冬季运行工况

如图4、5所示：夏季运行时，室外新风先经过全热回收单元，与室内的排风进行能量交换，全热交换效率在50%以上，然后再经除湿单元/加湿单元对新风除湿/加湿，以达到设计的送风要求。这种新风机相对于常规新风机而言，具有明显的节能效果。新风的潜热负荷由溶液系统承担，夏季不再需要7℃的冷冻水来满足新风除湿要求，空调系统中不存在冷凝水的表面，也消除了室内一大污染源。

3 地源热泵系统方案设计

3.1 地下换热器系统设计

地埋管地源热泵系统的设计核心就是地下换热器，而地下换热器的设计又受到岩土的温度、湿度、地下水文地质状况的影响。所以为充分保证地埋管地源热泵系统的实施有科学合理的依据，笔者在项目所在地进行了工程地质勘查并做了热响应实验。

据钻孔揭示，勘察区地层结构主要为：0～5.80m为素填土，5.80～101.80m为砂岩、泥岩互层。区内无断层，地质构造简单，属于硬性结构面。场区地下水较贫乏，水量小，排泄条件较好，无稳定地下水位。对场区岩样物性进行检测，其平均热导率为2.2504（W/m·K），导热性能较好，适宜采用地埋管热泵系统。为了节约场地面积，本项目采用竖直埋管形式。在热响应试验中，笔者测得单位延米换热量为48.87W/m。

根据上述地质勘察情况，本工程采用单孔双U形竖直埋管地埋管换热系统。鉴于需地下换热量较大，且受到埋管面积限制，在考虑埋管之间相互影响的情况下，埋管深度设计为100m，埋管间距为5m埋设DN32的聚乙烯PE管。同时为保证系统稳定性和安全性，本工程决定并联同程式连管方式，并辅助设计冷却塔以进行夏季负荷调峰，以降低地埋管费用和平衡冬夏提取和排入地下的热量。利用负荷计算软件计算得出的该工程负荷如表2所示，但考虑到本工程采用了溶液调湿新风系统，其新风冷热负荷可不进入土壤，所以要对表2数据进行修正。经笔者计算发现：本工程新风热负荷进入土壤而新风冷负荷不进入土壤，土壤的热平衡达到自然最佳。所以修正值为冬季系统热负荷1695kW（含新风），夏季系统冷负荷2506.8kW（不含新风）。设计时根据夏季系统冷负荷计算所需地埋管长度。

夏季释热量=空调冷负荷×（1+1/COP）=2506.8×（1+1/7.2）=2855kW。

经笔者计算，冬季供暖季单位钻孔长度换热量为48.4W/m，夏季空调季平均单位钻孔长度换热量为67.9W/m，且因冬季供暖时会吸收土壤热量，与冷凝散热量存在抵消，所以最终确定本工程采用360个孔的地埋管，地埋管换热系统的配置如表3。夏季地埋管的总换热能力为2444.4kW，基本能承担冷能排热量2855kW，满足换热需求。

表3 地埋管换热器系统配置表

3.2 地源热泵系统方案设备选型及机组性能系数

本工程选择的主要设备选型如表4所示。

表4 地埋管热泵系统的主要设备表

3.3 地源热泵机组的设计工况及运行控制方案

夏季工况：使用侧冷冻水的供回水温度分布为13℃和18℃（提供高温冷水），地源侧冷却水的供回水温度分别为26℃和31℃。

冬季工况：使用侧冷冻水的供回水温度分别为45/35℃，地源侧冷却水供回水温度分别为19℃和 25℃。不采用电热锅炉、电热水器作为直接采暖和空气调节系统的热源。

运行控制：冬季仅开启地源热泵机组进行供暖，承担系统热负荷；夏季优先开启地源热泵机组进行制冷，承担系统基本符合，当系统负荷超出热泵机组负荷承担范围，同时开启地源热泵机组与冷水机组承担系统峰值负荷。夏季辅助冷却开启的控制策略采用温差控制，即以热泵进口（或出口）水温与室外湿球温度差值来控制。通过前人的研究可知，在这种控制策略下，系统的能耗、机组的运行特性和经济性都具有较大的优越性。

4 系统能效和效益分析

4.1 系统能效分析

根据《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》（后称《导则》）中对系统能效比的测试方法，负荷计算情况和机组技术参数，对该地源热泵系统的夏季和冬季两个典型季节的系统能效比进行估算。《导则》规定，典型季节系统能效比是指地源热泵系统的制冷/制热量与系统输入功率之比，这里的系统输入功率主要是指热泵机组以及与热泵机组相关的所有设备的输入功率之和（不包括用户末端设备）。故对于本工程系统能效的计算范围是热泵主机以及冷却水泵（地埋管系统水泵、冷却塔水泵、冷却塔、冷冻水泵）等设备。

系统能效比为：

式中：COP为热泵系统制冷能效比；COP为热泵系统制热能效比；Q为系统制冷量，kWh；Q为系统制热量，kWh；N为热泵机组所消耗的电量，kWh；N为水泵所消耗的电量，kWh。

根据《导则》中规定的能效测试工况，热泵机组制热制冷性能系数的测定工况应尽量接近机组的额定工况，机组的负荷达到额定值的 80%以上；系统能效比的测定工况尽量接近系统的设计工况。这里能效比的计算在机组设计工况下，机组满负荷运行。该建筑冬季空调单台热泵机组同时运行时，基本可以满足全楼的负荷需求。

故热泵系统的制冷能效比：COP=3.4；热泵系统的制热能效比：COP=3。

4.2 系统效益分析

根据《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》中对系统节能量的计算方法，地源热泵系统年耗电量利用系统能效比和建筑全年累计空调热负荷和全年累计空调冷负荷进行计算。其中进行对比的常规供暖、供冷方式的选取为：制热，选取燃煤锅炉房作为比较对象，锅炉的效率取68%；空调工程设计能效比取为3.0（参照重庆市《公共建筑节能设计标准》DBJ50-052-2006）。循环水泵、风机等用电设备的耗电量近似的认为与地源热泵系统的用户侧相同。电能与一次能源的转换率为0.31，1kWh电相当于0.1229kgce，标煤的热值为29.27兆焦/kg。

根据上述空调负荷分析，故地源热泵系统年能耗：

=E+E==64万kWh+66.9万kWh=130.9万kWh，折合标准煤321.5吨。

常规供暖、供冷方式年能耗：

制热所需燃料热值为268.1万kWh，折合标准煤329.7吨；制冷年能耗E==79.96万kWh，折合标准煤317吨。故常规系统全年制冷、制热的耗电量为标准煤一共646.7吨。

根据以上计算，本工程采用冷却塔-地埋管地源热泵复合式系统方案，全年空调制冷、采暖生产消耗的能源折算成标准煤为518.9吨，而传统的水冷式冷水机组加燃煤锅炉供热的方案全年耗能折算成标准煤为646.7吨。故该复合式地源热泵系统的实施每年可节能127.8吨标准煤，节能率为24.6%。此外根据消耗一次能源所产生的温室气体和污染气体的类型，并按照《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》给定方法可确定CO2、SO2、粉尘减排量。

CO2减排量CO2=2.47Q=315.7吨/年；SO2减排量SO2=0.02Q=2.6吨/年；粉尘减排量Q=0.01Q=1.3吨/年。Q为标准煤节约量。效益汇总如表5所示。

表5 地源热泵系统效益汇总

5 结论

本文通过对重庆市某办公楼的地源热泵系统设计，并将其与传统的供暖、制冷形式对比，得出了复合式地源热泵系统具有节能率高，对环境污染小等特点。现阶段国家正大力推广发展浅层地温能的开发利用，全面推广可再生能源建筑的工程形式。而地源热泵系统正是直接利用浅层地温能的系统形式。所以使用地源热泵不但能形成良好的示范作用，为当地浅层地温能的利用树立节能环保的形象，还能获得政府的大力支持，取得良好的效益。

[1] 章长松.上海浅层地热能分布规律及开发应研究[D].天津:天津大学,2009.

[2] 王勇.重庆市地源热泵空调技术的应用现状与展望[J].资源节约与环保,2009,(5):71-72.

[3] 曾和义,方肇洪.U型管地热换热器中介质轴向温度的数学模型[J].山东建筑工程学院学报,2002,17(1):7-11.

[4] 曾和义,刁乃仁,方肇洪.竖直埋管地热换热器的稳态温度场分析[J].山东建筑工程学院学报,2002,17(1):1-6.

[5] 王新北,梁云发.沈阳市推广应用地源热泵工作情况[C].地温资源与地頌热泵技术应用论文集（第2集）, 2008:14-18.

A Ground Source Heat Pump System Design in Chongqing

Su Liqun Lu Jun

( Chongqing University, Chongqing, 400045 )

This paper introduces the Ground Source Heat Pump and the temperature and humidity control system of an office building in Chongqing, and ground-source heat pump system is designed in detail. Also, this paper discuss the ground heat exchanger design and analysis the design conditions and system operation control scheme. In addition to this the energy efficiency and benefits from the use of ground source heat pump is predicted and analyzed.

ground source heat pump system; ground heat exchanger; unit design conditions; energy efficiency; benefits

1671-6612（2016）06-668-05

TU83

A

苏立群（1991.09-），男，在读硕士研究生，E-mail：416883875@qq.com

卢 军（1966.10-），男，博士，教授，博士生导师，E-mail：1181367768@qq.com

2015-06-10