苏州某商场项目地源热泵系统设计案例分析

彭 昊

（中国海诚工程科技股份有限公司，上海 200031）

苏州某商场项目地源热泵系统设计案例分析

彭 昊

（中国海诚工程科技股份有限公司，上海 200031）

介绍了空调冷热源采用地埋管地源热泵系统与太阳能热水系统复合式系统的项目设计经验，并对该项目的地源热泵系统进行了投资回收分析。通过项目实例的介绍，对地源热泵系统的应用范围进行了探讨。

地源热泵； 太阳能热水系统辅助热源； 地埋管系统

0 引言

建筑节能和环保是贯彻可持续发展战略的重要组成部分，而建筑能耗又以空调能耗为主，占建筑总能耗的40%-60%。土壤源热泵系统是地源热泵系统中的一种类型，它能将热能储存在浅层土壤中，或从浅层土壤中取出热能，现视它为可再生能源系统。该文通过对苏州某商场项目设计方案的分析介绍，探讨地源热泵技术在大型商场中的应用设计措施。

1 项目概况

该项目位于苏州高新区，东西方向长度约为243m，建设用地面积67795m2，总建筑面积64589m2，商场营业面积约33000m2，建筑高度17.8m。主体建筑为地上三层；其中地上一层为敞开式停车库，地上二层为商场，三层为商场展示区、顾客餐厅及员工办公室。商场每天营业时间按12小时计，上午10时至晚上10时。商场内部配套设施按工作人员200人，高峰时刻顾客8000人计。

2 冷热源设计方案

2.1 空调冷热源设计

建筑夏季空调冷负荷为3430kW，冬季空调热负荷为1189kW。商场空调冷热源采用水冷螺杆式冷水机组加地源热泵机组相结合的模式，冬季仅地源热泵运行，夏季地源热泵和水冷螺杆式冷水机组共同运行，同时商场的太阳能热水系统的辅助热源也采用独立的地源热泵，辅助热源制热量为320kW。太阳能热水系统用地源热泵机组不设置独立地埋管换热系统，其地埋管换热系统同空调用地源热泵系统共用。

2.2 空调冷热源系统的选择

商场空调水系统冷热源选用额定制冷量为1211kW，额定制热量为1213kW的地源热泵机组2台，冷媒为R134a；选用额定制冷量1217kW螺杆式冷水机组1台，冷媒为R134a。夏季由冷水机组和地源热泵提供7℃/12℃空调冷冻水，冬季由地源热泵提供45℃/40℃空调热水，且冬季地源热泵仅开启一台供热，另一台为备用。太阳能热水系统设置独立热源，设计采用额定制热量为172.9kW的螺杆式地源热泵机组2台，冷媒为R134a。具体冷热源系统流程如图1所示。

图1 冷热源系统流程图Fig.1 Flow diagram of cooling and heating source

水冷螺杆式冷水机组及螺杆式地源热泵机组冷冻水循环水泵采用3用1备，采用共管连接，便于居中布置的备用水泵切换。冷却水系统共设置2台开式冷却塔，螺杆式冷水机组对应1台开式冷却塔，配合螺杆式冷水机组一对一提供冷却水，2台地源热泵机组共用1台开式冷却塔，地源热泵机组夏季单台机组在合理的累计释热量与取热量比控制值范围内，优先采用地埋管提供冷却水，在超出控制比或负荷高峰时第二台地源热泵采用冷却塔提供冷却水。冷水机组的冷却水泵及地源热泵机组地埋管侧循环水泵采用3用1备设置，通过共管连接，并通过常闭密闭手动闸阀隔断。居中布置的公用备用水泵，可根据运行需要切换至冷却水侧或地埋管侧。夏季冷却水设计供回水温度为32℃/37℃。空调地源热泵机组夏季冷凝器设计进出水温30℃/35℃，冬季蒸发器设计进出水温10℃/5℃。

太阳能热水地源热泵全年提供60℃热水，回水温度55℃。地源热泵机组热水侧及地埋管侧循环水泵分别采用2用1备。热水系统地源热泵机组的地埋管侧接管冬夏季不切换，连接蒸发器维持其供热功能，夏季蒸发设计进出水温30℃/25℃，冬季蒸发器设计进出水温10℃/5℃。

3 地源热泵系统换热系统设计

3.1 热响应试验测试

为获得地埋管换热器的换热规律、地下土壤的热物理参数等设计依据，选取两个点位进行钻孔埋管的岩土热响应试验。地源热泵模拟工况条件的设备由可调功率加热器（最大可调至13kW）、循环水泵、流量调节阀、电磁流量计、玻璃管温度计、智能温度采集模块组成，可用来模拟夏季排热工况，地埋管内流量、供水温度依据设计要求可手工调节设定。试验原理图如图2所示。

图2 热响应试验原理图Fig.2 Thermal response test schematic

具体热响应测试报告结论如下：

（1）测试的土壤初始平均温度为18.1℃。

（2）在地埋管进水温度35.3-38.2℃的条件下，单U管100m土壤换热器每米井深平均散热量为61W/m；在地埋管进水温度8.2-8.7℃的条件下，单U管100m土壤换热器每米井深平均取热量为44.5W/m。

（3）测试综合土壤导热系数分析平均值1.545（W/m·℃）。

（4）进行该项试验前，利用打孔设备钻孔现场打孔，打孔过程较为顺利。通过地下岩土层取芯采样，从打孔施工方面了解的地层结构看（以均为软土，含水土层较厚，地表水位高），该地质层结构适合做地源热泵系统。

（5）由于存在一定的冷热不平衡需要岩土层自然消散，建议成孔间距应不小于4.5m。

3.2 采用地埋管布置方案

3.2.1 地埋管换热计算[1]

地埋管换热系统夏季系统最大散热量可以按以下公式计算：式中—夏季系统最大散热量，kW；

Q1—夏季设计冷负荷（仅考虑空调系统），kW；

EER—地源热泵机组的制冷系数，该项目为5.77。

公式（1）中输送过程得热量和水泵释放热量简化后可得：

地埋管换热系统冬季系统最大吸热量可以按以下公式计算：

Q2—冬季设计热负荷（同时考虑空调系统及太阳能系统），kW；

COP—地源热泵机组的供热系数，该项目为4.58。

粗略认为输送过程损失的热量同水泵释放热量相互抵消，公式（2）可简化后可得：

由于太阳能热水系统地源热泵作为辅助热源是间歇性热源，基于最不利条件考虑，以上理论夏季最大散热量计算中并未考虑太阳能热水系统地源热泵运行时的吸热量的折减，但实际运行中太阳能热水系统地源热泵运行时的吸热量会有助于提高空调系统地源热泵地埋管换热的效率。

热响应试验测试的单位延米换热量是基于特定工况下的测试值，但地埋管换热器换热量受地下土壤温度、埋管间距、供回水温度等影响较大，且实际运行过程中换热量为变量值，为确保地源热泵实际运行的节能性及可靠性，设计采用的地埋管换热每延米换热量在在测试值得基础上考虑了一定安全系数，见表1。

表1 地埋管换热计算值同测试值比较Tab.1 Heat exchange performance comparison between calculation and test

按照夏季系统最大散热量计算值，可计算夏季计算埋管总长：

按照冬季系统最大吸热量计算值，可计算冬季计算埋管总长：

取冬夏季的计算埋管长的高值，且埋管深度按100m考虑，得计算埋管数＝30360/100≈304个孔。根据苏州已有工程项目经验[2]，结合提供的该项目土壤热物性测试报告建议，该工程地埋管间距按照5m设计，每个孔占地面积25m2，地埋管占地面积约7500m2。

3.2.2 地埋管布置

该项目用地主要分成建筑用地、绿化和道路广场三部分，具体面积分析见表2，单从面积考虑，三个区域都满足，但综合考虑地埋管布置统一性、埋管施工难度，地埋管集中设置在室外道路广场的停车场下方。

表2 建筑用地分析Tab.2 Analysis of site land area

地源热泵采用垂直地埋管换热系统，埋管井的数量330个，埋管深度为100m，间距5m。地埋管系统采用一级分集水器，分出22组水平干管，每组为设15个垂直换热器，其中备用2组作为系统稳定性考虑的安全余量，垂直换热管采用De32单U型，地埋管系统示意图如图3所示。

图3 地埋管系统示意图Fig.3 Buried pipe system schematic

图4 地埋管机房及钻孔布置图Fig.4 Layout of machine room and drill hole

在商场一层停车库某位置设置分/集水器间，各连接回路的水平管从室外地面引至商场分集水器间处，穿地面套管进入到分集水器间，与相应分集水器连接。分集水器供回水主管出分集水器间走商场地面下接至地源热泵机房，地埋管机房及钻孔布置图如图4所示。

4 投资及节能性分析

为分析该项目采用地源热泵系统的节能效果，按照该项目的情况对地源热泵系统的投资费用和年运行费用进行估算，并同常规冷热源系统投资（冷水机组+锅炉）进行比较，相关参数见表3。

表3 地源热泵投资及节能分析Tab.3 Investment and energy-saving analysis of ground source heat pump

由于生活热水系统的地源热泵是作为太阳能热水系统的辅助补充热源，其使用概率不高且周期不稳定，因此表3不对其投资及节能进行分析。

从表3数据可知该项目的地源热泵增加的投资理论上应能在2.7年收回，从经济技术分析上看是具有很大的优势，但是上表地埋管的投资费用在地源热泵空调主机系统内所占比重高达45%，因此项目所在地的地埋管换热效率将很大程度上决定其投资回收期。因此在地源热泵系统方案设计前，一定严格按照规范要求，进行工程场地状况调查，并应对浅层地热能资源进行勘察，完成岩土热响应试验，为地埋管换热系统的设计提供依据。

5 结语

通过该项目案例的分析，地源热泵系统作为一种绿色节能的空调技术，相对传统的空调冷热源（冷水机组+锅炉）系统，其投资回报是具有一定的优势，同时地源热泵机组的运行避免了锅炉运行时燃烧污染物废气的排放，也减少了冷却塔运行噪音、废热和漂水对周围环境的影响，其环保优势也显而易见。对于地源热泵的应用有以下几点建议：

（1）通常江浙地区的热响应测试结果在每延米换热量40-60W范围，其地质条件能很好的发挥其节能优势，获得很好的投资回报周期，但是对于地下换热不佳（每延米换热量低于30W）的场所应慎重考虑其经济性。

（2）地源热泵可以作为太阳能热水系统辅助热源等其它间歇性热源的可选方案，相较电加热、锅炉等热源方式它更加具备节能优势，也不存在风冷热泵在北方地域寒冷气候的限制，但是需要配合地源热泵空调系统，方可解决其制热单一运行模式的地源换热热平衡问题。

（3）理论上地源热泵也可以作为生活热水系统主热源等其它全年热源，其节能空间更大，但是必须配合制冷装机容量更大的地源热泵空调系统，具体装机容量比值不仅应考虑空调计算冷热负荷，还应同时能满足生活热水等其它全年热源系统和空调系统的全年地埋管侧总释热量和总吸热量的平衡。

[1]中国建筑科学研究院.GB 50366-2005地源热泵系统工程技术规范（2009年版）[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2]赵书杰，干兆和.地源热泵在苏州地区的适宜性研究[J].施工技术，2010，39(10)：116-119．

Design Analysis of Ground Source Heat Pump System for Store Project

PENG Hao
（China Haisum Engineering Co.，Ltd，Shanghai 200031，China）

Thispaperintroducesground sourceheat pump system design experience to combine the buried heat exchange piping for air condition system and solar water system into one,and investmentamp; payback period of ground source heat pump system for this project is estimated.The application of ground source heat pump is discussed based on study of this case.

ground source heat pump； auxiliary heat source for solar water system；buried piping system

TU831

B

2095-3429（2017）05-0090-05

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.05.021

2017-06-23

彭昊（1981-），男，湖南长沙人，硕士研究生，工程师，主要从事暖通空调系统的设计工作。