济南市某企业办公楼地源热泵系统设计

吕晨腾

（山东建筑大学 热能工程学院，济南 250101）

现在随着经济的发展和人们生活水平的提高，公共建筑和住宅的供暖和空调已经成为普遍的要求［1］。作为中国传统供热的燃煤锅炉不仅能源利用率低，而且还会给大气造成严重的污染，因此在一些城市中燃煤锅炉在被逐步淘汰，而燃油、燃气锅炉则运行费用很高。本文应用对办公楼地源热泵系统的设计，在技术上和经济上都具有较大优势的解决供热和空调的替代方式［2］［3］。

1 工程概况

1.1 技术背景

地源热泵是一种高效节能环保型的空调系统，利用浅层（通常为400米以内）地热资源，可以用来供热或者制冷。地源热泵可以将能量从低温热源转移到高温热源中，只需要向其输入少量的高品位热源（电能）就可以实现，通常地源热泵消耗1kwh的能量，用户可以得到4.4kwh以上的冷量或热量［4］。在炎热的夏季，将室内多余的热量转移到土壤当中去，而且还可以保证地下温度常年保持在均衡水平；到了寒冷的冬季，可以将土壤当中的热量提高温度以后，转移到建筑物内用于供暖［5］。

1.2 特点优势

主要思考下面几个方面选择冷热源方式：估算冷热源机械的容量、研究不同种类机组的能源效率、当地水质情况、建筑的能利用的空间情况、当地主要能源方式和未来发展趋势［6］。空调系统的冷热源一般应用一起设置的冷（热）水项目和供热、换热设备。

经考虑，地源热泵系统具有以下优势：

（1）可重生能源利用技术

地源热泵利用不深层地热能即存在在地壳表层的太阳能作为冷/热源，实现建筑物的供热和制冷，属于干净的可重生能源利用技术。

（2）好的效率节能

利用大地热容量近于无限及一定深处地面温度相对不变的特点，与常规空调系统相比，地源热泵空调系统的热泵机组具有高温的热源和低温的冷源，地源热泵比传统空调系统运行效率要高约30－50%；全年的运行费用要比热网集中供热或燃油燃气供热系统降低20－60%。

（3）节省资源节省地面空间

地源热泵系统利用介质在地下岩土中循环实现交换热，不消耗水，也不损害地下水。系统节省锅炉房和相关的煤场、存油房、冷却塔等设施，机房面积远小于常规空调系统，让建筑更好看。

（4）环保显著

地源热泵的运行过程没有燃烧，不排污染气，不产生污染，没有无利用价值的东西产生，不需存放燃料及废物的场地，可以建筑在居民区内，不用远距离输送热量。

2 工程概况

2.1 建筑概况

（1）本工程建筑为济南市某企业办公楼，建筑物东西长75m，南北宽15.9m，高16.2m，总建筑面积5580.8 m2，地上4层，地下1层，主要功能为办公室及会议室，冷热源机房设在地下一层。

（2）济南地区土壤初始温度为15 ℃，地下土壤为含水量15%的致密黏土，土壤导热系数λS:1.55 W/m·K，扩散率a: 0.423×10-6m2/s。

（3）外墙为内粉刷，外有水泥砂浆。屋面为70mm厚现浇钢筋混凝土屋面板加25mm厚沥青膨胀珍珠岩保温层。门为铝合金玻璃门，6mm普通玻璃（K=5.94W/m2·℃），内门为单层木门。窗为双层钢窗，3mm厚普通玻璃，窗高2m 。

2.2 设计参数

（1）基本的气象参数

本项目的地理位置：济南市，位置位于北纬36°、东经117°；

夏季的大气压：997.9hPa，冬季的大气压：1019.1hPa；

冬季通风室外计算温度：-3.6℃，夏季通风室外计算温度：30.9℃；

夏季通风室外计算相对湿度：56%，冬季空调调节室外计算相对湿度：45%。

（2）其中，主要房间的室内空调设计参数见表1。

表 2.1 主要房间空调室内设计参数

?

2.3 机组型号的选择

通过相关计算软件——天正暖通计算可得，该企业办公楼夏季冷负荷峰值为188.53kW，冬季热负荷峰值为328.79kW，分负荷计算可知，选取机组LSFBLGR770S（3250×1380×1750mm）。

表 2.2 机组型号

3 地埋管换热器布置

3.1 地埋管选材

项目上一般用美国现在采用的高密度的聚乙烯（美国型号为PE3408）管材，壁厚（强度）选择按SDR11选取，管子内径一般采用20～40mm［7］。管材的选择按照泵自身换热器的流量要求以及是否应用串联、并联的形式确定，即不仅管中流体的流速很大，能在管中产生紊流加强传热［8］。还应该让流速不要太大，应该让循环泵的消耗维持在合适的范围内。

3.2 钻孔数量的计算

选用竖直单U型管，设定夏季循环液进、出冷凝器的温度分别为28℃和32℃，即温差为5℃。冬季循环液进、出蒸发器的温度分别为7℃和3℃，即温差为4℃［9］。

通过换热器中循环液的温差及流量计算得钻孔数量为72根，并设定钻孔孔径为150mm，钻孔内回填材料可用细砂加膨润土，钻孔间距为5m，6个钻孔为一个系统，一共为12组系统，如图所示。

图3.1 单个系统地埋管钻孔示意图（单位：mm）

3.3 地热换热器长度

与传统的空调系统设计相比，这是地源热泵空调系统设计所特有的内容。根据所选择的地热换热器的类型及布置形式，可根据《地源热泵系统工程技术规范》(GB 50366-2005)中的设计方法来设计计算地热换热器的管长［10］。

制冷工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度为：LC=8819.545m；供热工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度为6378.03m。经比较后选择制冷工况下所需的钻孔长度作为设计竖直地埋管换热器的钻孔长度。则每个钻孔深度为：

取每个钻孔深度为122.48米。

4 地源热泵机房设备

4.1 离心泵

水泵所需流量为22.4 m3/h，水泵所需扬程为4m。根据计算结果水泵的量程流量留一点余量，选择KQW100/110-1.1/4型离心泵(785×385×210mm),性能参数如下：

表 4.1 离心泵型号

4.2 补水泵

扬程H为7m，补水泵流量2m3/h，选择型号如下表：

表 4.2 补水泵型号

4.3 定压补水装置选型

表 4.3 膨胀水箱型号

4.4 软化水箱的选型计算

软化水箱应不小于系统1h的补水量，容积宜按系统水量的8%-24%来计算。

软化水箱：根据补水泵（0.5～1h）的水量选择。

补水泵流量为2m3/h，则软化水箱取补水泵1小时水量即2m3/h。

有效容积：15%×20=3m3

选择1号水箱矩形水箱，有效容积：m3

长×宽×高=6000×3000×200（mm）

4.5 全自动软水装置

当工程所在地水质较硬或是系统较大的时候，系统的循环水和补水最好是软化水，该空调系统必须配置水软化装置，一般选用全自动软化水装置；

全自动软化水装置的选用一般按照系统补水量进行选择，补水量为G=0.672 m3/h。装置小，系统补水时间长；装置大，系统补水时间短。

表 4.4 全自动软水装置型号

图4.2 地埋管换热系统流程图

5 软件模拟

根据地热之星的软件来模拟地埋管的钻孔深度，从而找到优化设计的布置。

地源热泵空调系统是以大地为冷/热源，使中间介质在由塑料管组成的封闭环路中循环流动，与大地进行热量的交换，并进而通过热泵实现对建筑物的空调［11］。

设置地埋管换热器是地埋管地源热泵空调系统区别于传统空调系统的最大特点。根据布置形式的不同，地埋管换热器可分为水平埋管与竖直埋管。由于竖直地埋管换热器具有占地少、工作性能稳定等优点，所以成为了国内工程应用的主导形式。主要分析关于竖直U 型埋管换热器中U型管形式、回填材料导热系数、土层种类、循环液种，进入热泵最高温度、进入热泵最低温、峰值冷热负荷持续时间比的对它的影响，以便对它进行优化设计。

5.1 回填材料导热系数的分析

回填材料一方面可以增强地埋管和周围岩土的换热，同时还可以防止地下水通过钻孔向下渗透，保护地下水不受污染物污染，防止各个蓄水层之间交叉掺混。回填材料对钻孔长度有很大的影响，回填材料的不同，相应导热系数也不同，对应的钻孔长度差别很大。

在其他条件不变的情况下，导热系数越大，钻孔长度越小，但是变化幅度却不断减小。

填充材料导热系数为1.5时，钻孔总长度为11242.047m；

填充材料导热系数为1.6时，钻孔总长度为11076.723m；

填充材料导热系数为1.7时，钻孔总长度为10911.398m；

填充材料导热系数为1.8时，钻孔总长度为10779.139m；

填充材料导热系数为1.9时，钻孔总长度为10646.88m；

由此可是填充材料的导热系数对钻孔总长度，钻孔深度影响较大。

5.2 钻孔间距

在其他参数不变的情况下，钻孔间距也对钻孔长度有着一定影响，钻孔间距越大，那么管子之间换热就越好，同时管子之间的热干扰也就越小，有利于换热。当间距在大于6米后，随着间距增大，钻孔长度不变。在实际工程间距也要根据工程的实际成本和状况来定。

钻孔行间距为3时，钻孔总长度为12928.345m;

钻孔行间距为4时，钻孔总长度为11308.177m;

钻孔行间距为5时，钻孔总长度为10646.88m;

钻孔行间距为6时，钻孔总长度为10349.296m。

由此可知钻孔行间距对钻孔总长度，钻孔深度影响很小。

5.3 地埋管运行时不同温度的变化

经过一年，五年，十年，的对比后我们可以发现地温随着年份缓慢升高，从十年的温度变化曲线图我们可知孔壁温度，热泵出口水温，热泵入口水温的峰值都是随着时间的使用升高。

图5.1 一年内的土壤温度变化示意图

图7.3 五年内的土壤温度变化示意图

图7.4 十年内的土壤温度变化示意图

5.4 系统耗电量

图7.5 一年内的热泵机组耗电量变化示意图

图7.6 五年内的热泵机组耗电量变化示意图

图7.7 十年内的热泵机组耗电量变化示意图

5.5 每米钻孔换热量

由模拟的曲线图可知在不同的时间，每米钻孔换热量随时间波动。

图7.8 一年内的钻孔每米换热量变化示意图

图7.9 五年内的钻孔每米换热量变化示意图

图7.10 十年内的钻孔每米换热量变化示意图

6 设计优化

通过地热之星软件的模拟，针对地源热泵设计方案，提出两点优化建议：

（1）根据建筑物负荷特性、土壤物性参数，以及地埋管换热器中各组管子的热干扰现象等因素对地源热泵的长期使用影响较大，可以采用流体模拟软件对地源热泵系统的长期运行进行模拟仿真计算，进而提高设计的准确性和科学性。

（2）考虑到放热不平衡对土壤温度升高或降低问题，在负荷的动态特性中，地源热泵系统中的地埋管换热器应满足最大吸热量或放热量的要求，而且要始终保持地埋管的总吸热量与放热量保持在一个平衡的水平。在技术允许且经济合理的情况下，可以采用辅助热源进行调峰。

7 结论

本文从地源热泵系统热泵机组的选型、地埋管换热器的布置，地源热泵机房设备的安排以及通过软件模拟提出优化建议，分析了济南市某企业办公楼地源热泵系统设计方案。但是，在实际的工程项目中，应该提前做好地源热泵系统的现场勘测与试验工作，确保施工安装后，地源热泵系统可以科学稳定的运行。