某综合性办公楼空调地源热泵系统设计

杨伟，祝百茹

（辽宁工程技术大学土木工程学院，阜新市123000）

摘要：对某综合性办公楼空调工程地源热泵系统设计与计算 ，并对系统的实际运行费用进行了分析。与以冬季集中供热采暖系统相比，在满足相同的热负荷条件下，地源热泵系统具有显著的节能效果。地源热泵的应用还存在受多方面的影响因素,需要设计人员在工程设计中多积累多思考,将技术的可靠性和节能性、环保性有效地结合起来。

关键词：地源热泵；供热；制冷空调；经济性分析；节能

中围分类号：TU83  文献标识码：A  

Design of Ground-Source Heat Pump Air Conditioning for a Complex Building

Yang Wei，Zhu Bairu

(College of Civil Architecture Engineering of Liao Ning Technical University, Fuxin, 123000, Liaoning ,China)

Abstract:Design and calculating of Ground-Source heat pump air conditioning for a complex building,And the actual cost of running an analysis。And compared to central heating in winter heating system, In the heat load to meet the same conditions, Ground-source heat pump system has significant energy-saving effect. Application of ground-source heat pump there are still affected by many factors, Need to design in the engineering design of the accumulation of more and more thinking, The reliability of the technology and energy conservation, environmental protection and effectively together.

Keywords:Ground-Source Heat Pump; Heating; Refrigeration Air Conditioning; Economic Analysis; Energy Efficiency

1 引言

中国是一个能源消耗大国，能源消耗总量排在世界第二。而中国人口众多，能源相对缺乏，人均能源占有量仅为世界平均水平的40%，建筑能耗已经占到社会总能耗的40%左右，而能源效率目前仅为33%，比发达国家落后20年，能耗强度大大高于发达国家及世界平均水平，约为美国的3倍，日本的7.2倍^[1]。如何提高能源利用效率，已经成为中国政府在中国未来经济发展中一个紧迫的问题。到目前为止，我国新建建筑的95％以上都是大量浪费能源的建筑^[2]，为了缓解能源紧张的局面和国家的可持续发展，必须加快推进建筑节能。建筑节能最有效的方法之一就是采用地源热泵技术替代传统的石化物燃烧热源。

地源热泵作为热泵技术应用的一个新的分支，由于其节能和优越的环保性能，正在得到广泛的应用。地源热泵是利用土壤良好的储蓄热量及储蓄冷量特性进行逆循环的一种工程应用；在冬季供热时，热泵系统通过预埋在地下的管道将储存在地下的热能通过传热介质吸收，作为逆循环中的低温热源，由热泵完成逆循环并向供热用户提供热量；在夏季供冷时，利用地下环境温度较低的特点使制冷系统中的冷凝温度降低，从而提高系统的制冷系数，与冷凝器直接与空气环境进行热交换的普通空调器制冷相比，有较高的节能效果。

杨　伟（1965-），男，辽宁省阜新人，副教授，研究方向：高效传热与传质

电话：15941861788

E-mail：lgdyw@163.com

通信地址：辽宁省阜新市中华路47号辽宁工程技术大学土木建筑工程学院

由于地源热泵系统在运行工作过程中除驱动热泵的动力外，无需其他热源或动力，而驱

动热泵的动力主要是电能。因此，如不考虑电能的来源，地源热泵系统是城市供热及供冷的一种清洁能源。

地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、热泵机组和室内采暖空调末端系统。其中热泵机组主要有两种形式：水一水式或水一空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递。热泵机组与土壤能量之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。地源热泵同空气源热泵相比，有许多优点：(1)全年温度波动小。冬季温度比空气温度高，夏季比空气温度低，因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空气源热泵，一般可高于40％，因此可节能和节省费用40％ 左右。(2)冬季运行不需要除霜，减少了结霜和除霜的损失。(3)地源有较好的蓄能作用。

   综上所述，地源热泵空调系统具有良好的节能效果和环保效果，值得在本工程中应用。

2 工程概况

该建筑是一幢十一层高的综合性办公楼，地处辽宁省。该地区地处北半球的暖湿带，气候温和，年平均气温南部地区为10.5℃，北部地区在8.8～9.5℃之间，是中国东北地区最暖和的地区。最冷月（1月）平均气温在-4.5～8℃之间，是东北地区最暖和的区域。最热月（8月）平均气温在24℃上下，是同纬度地区中最凉爽的区域之一。春季回暖快而不稳，春雨少且年际变化大，春风较大，南北风交替频繁；夏季气温高、湿度大，气温日较差小，阴雨日数较多，台风、暴雨多出现在该季，风向以南风为主，平均风速在各季中最小；秋季气温下降较快，秋雨较少，湿度较小，风速逐渐增大，风向逐渐转为以北风为主；冬季干而寒，季降水量仅占全年的3％～5％，盛行偏北风，是一年中风速最大的季节。

本建筑物的占地面积919.85m²，建筑面积10118.33m²，总高度是41.1m，第一层层高是6m，第二层层高是4.8m，第三层到第九层层高是3.3m，第十、十一层层高是3.6m。地下室是空调制冷机房和停车场，第一、二层是农机展示厅，空间比较大，采用全空气一次回风系统；第三层到十一层是办公室，其布局比较相似，都采用风机盘管加新风系统。厕所设置排风扇，保持厕所的相对负压，通过其他房间渗透补充厕所风量，再通过厕所风机排出，使厕所异味不能扩散至其他房间。为防止外部空气流入空调房间，设定保持室内5～10Pa正压，送风量大于排风量时，室内将保持正压。

1. 设计计算参数

   室外气象参数表见表1-1

表1-1  室外气象参数表

1. 室内温湿度：  夏季  t= 26  ℃          Ф= 60  %

冬季  t= 20  ℃          Ф≥40  %

1. 室内人员数量：大堂  0.1  人/㎡      餐厅  0.5  人/㎡

客房    2  人/间     其他   0.1  人/㎡

1. 照明和办公设备：办公室   10w/㎡     明装白炽灯

其它    40w/㎡     暗装荧光格栅灯

1. 工作时间：     夏季12 小时          冬季  24小时

4 地源热泵系统负荷计算

4、1 热泵系统负荷计算^{[4] [5]}

根据气候条件及本建筑物的土建围护结构，室内设计负荷计算时按传统的方法计算热负荷。总冷负荷应包括用户实际所需制冷量以及制冷系统本身和供冷系统的冷损失。冷损失一般用附加值计算，对于直接供冷系统通常附加5%~7%，对于间接供冷系统一般附加7%~15%。由于空调系统的负荷的峰值不可能同时出现，所以不应采用系统总负荷作为装机容量，应乘以系数0.6~0.8。该设计的综合性办公楼的总的冷负荷为606.52。所以乘得系数最后总的冷负荷为565.76。同样计算出该办公楼的总热负荷为518.28。

4、2、室内末端系统设计

办公楼一二层是农机展示厅，层高较高，建筑空间大，采用全空气一次回风系统；三层至十一层都是办公室，办公室是间歇性使用，白天使用，晚上关闭，人员分布较平均，同时各房间冷热负荷并不相同需要进行个别的调节，导致热湿比不同，全空气系统并不适合，所以采用风机盘管加新风系统。办公楼的每层都设有新风机组，新风接至风机盘管，和风机盘管的回风一起混合后进入室内，新风不承担室内冷负荷。风机盘管加新风系统占空间少，使用也较灵活，但空调设备产生的振动和噪音问题需要采取切实措施予以解决。对于该系统所存在的缺点，可在设计当中根据具体的问题予以解决和弥补。

该系统是采用双管同程式系统，冬夏两用的，夏季制冷，冬季供热。

4、3、地源热泵系统设计

    地热换热器的埋管方式主要有两种形式，即竖直埋管和水平埋管^[3]．选择哪种方式主要取决于场地大小、当地岩土类型及挖掘成本。如果场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济。当场地面积有限时，适合采用竖直埋管方式，很多情况下这是惟一选择。

水平埋管就是将塑料管水平敷设在离地面1～2m的地沟内。水平埋管的地热换热器受地表气候变化的影响，效率较低，而且占地的面积比较大，在国内建筑物比较密集的情况下，它的使用受到一定的限制。水平埋管的地热换热器有以下几种形式：(1)水平单管；(2)水平双管；(3)水平四管；(4)水平六管等。实践证明，水平换热器的寿命较长。

竖直埋管就是在地层中垂直钻孔，孔的深度一般在30～150米。在竖直埋管方式中，由于地下深层土壤温度比较恒定，占地面积小，因此在地源热泵工程中得到了广泛的应用．竖直埋管的地热换热器的形式有以下几种：(1)单U一型管；(2)双U一型管；(3)小直径螺旋盘管；(4)大直径的螺旋盘管；(5)立式柱状；(6)蜘蛛状。在竖直埋管换热器中，目前应用最为广泛的是单U一型管，本文主要讨论竖直单U一型管的地下换热器的合理设计。

4、4  地热换热器的设计^[6]

   地热换热器的长度直接影响到热泵机组的性能和系统的初投资，因此合理确定地热换热器的长度是地源热泵系统经济运行的关键。地热换热器的设计主要包括以下内容：地热换热器的长度的确定；地热换热器结构的设计以及管路的连接方式。

确定地热换热器的长度是估算法。所谓估算法就是首先根据建筑物的峰值冷负荷或热负荷确定出地热换热器的放热量或吸热量，然后确定地热换热器的布置方式，再根据手册中给定的单位管长或单位埋管深度的放热量即可求出所需地热换热器的长度。这种方法简单，比较适合工程设计。

根据该建筑的实际情况设计地源热泵系统应以达到夏季制冷、冬季供热的要求。地源热泵系统的室外埋管系统采用垂直U型埋管方式。根据埋地换热器放热最大负荷计算，采用垂直U型埋管方式需打井188口，井深1O0米。室外垂直埋管占地面积最小需要1245平方米。冬季供热和夏季供冷时地源热泵系统通过控制四通阀可以实现冬、夏两季不同工况的转换。

5 地源热泵空调系统运行费用

夏季空调运行1O0天，每天12小时运行。冬季空调运行183天，每天24小时运行。室内空调循环水泵功率为7.5KW， 室外空调循环水泵7.5KW, 热泵机组两台, 单台机组电功率为 30KW运行系数0.49. 根据有关实际运行情况及室内外参数情况,对系统在冬、夏两季的耗电量和运行费用进行了分析计算结果如表1所示。

表1  地源热泵系统运行分析

电价计算时按0.5元计算

在同样的供热负荷条件下，如仅采用冬季集中供热，其供热费为217544元（10118.33 m²X21.5元/米²），

而采用冬季供热和夏季供冷时地源热泵系统运行费用仅为46818元。与此相比地源热泵可节约费用约78.5％ 。

6 结论

1)、与以冬季集中供热采暖系统相比，在满足相同的热负荷条件下，地源热泵系统可节省运行费用78.5％左右。地源热泵系统在夏季供冷时，由于地下温度低于环境温度，使热泵系统的冷凝温度降低,导致系统的制冷系数提高，高于普通空调器的制冷系数。由于地源热泵系统无需消耗燃料，使用便捷；可以有效改进局部环境，对环境保护有积极的促进作用。

2)、地源热泵的应用还存在诸如其效果受土壤或岩石特性影响较强、初投资较高、缺少针对土壤热物性参数的研究成果、缺少最佳匹配参数、缺少动态特性研究等方面的影响因素,需要设计人员在工程设计中多积累多思考,将技术的可靠性和节能性、环保性有效地结合起来。

参考文献

[1] 杨深.建筑七千年.天津:科技翻译出版社，2003.

[2] 赵洪波.节能在上海－能源基金会项目《上海地区公共建筑节能设计标准》主题报[Z]同济大学,2003.

[3] Oklahoma state university．Geothermal heat pumps：introductory guide[M]．Oklahoma state university，1 997．

[4]曾丹苓等，工程热力学(第三版)，北京；高等教育出版社，2002

[5]陆耀庆，实用供热空调设计手册，北京； 中国建筑工业出版社，1995

[6]蒋能兆等， 空调用热泵技术及应用， 北京；机械工业出版社，1994