雷维君

地源热泵空调技术是一种利用浅层地热能通过热泵技术将低位能向高位能转移，以实现供热制冷的高效节能的供热空调技术。冬季浅层地热能的热量被提取出来，通过热泵提升温度后，给室内供暖。夏季，通过制冷循环将室内的热量取出来释放到地下，同时对建筑物进行供冷，夏季释放的热量可作为卫生热水热源回收利用，所以，地源热泵技术在酒店等此类有全年卫生热水要求的建筑中得到了广泛应用。

1 工程概况

本工程分为5个区，共有单体20多个，每个单体均为2层～3层建筑，主要功能有餐饮、娱乐、会议、客房、游泳池等。占地9.3 万 m2，地上建筑面积约1.43万m2，地下建筑面积约1.21万m2，容积率为0.153，鸟瞰整个园区像盛开的一朵花的五个花瓣。每个单体之间及单体与园区围墙之间有大量的绿地面积。除地下车库及设备用房外均要求设置中央空调，周围无城市热力管网，且要求冷热源低碳环保。

2 前期准备

根据本工程既要满足低碳环保，又有足够的地埋管空间的现状，选用地源热泵作为冷热源。由于我国在土壤源热泵技术的应用方面处于起步阶段，而地埋管换热器的传热性能随着施工地点的地质构造不同发生很大变化，因此，有必要采用现场测试法进行地埋管换热器的实地试验研究，为土壤源热泵的优化设计和可靠运行提供试验数据。为了准确掌握工程地点的地质情况和地下热物性参数，进行了地埋管实验孔安装和地下热响应测试。采用单u地埋管测试。根据实验数据和推导的传热模型，得到项目地点的地下综合热物性参数:导热系数为1.54 W/(m·K)，岩土初始平均温度约为16℃。夏季换热能力为54.83 W/m。冬季换热能力为31.73 W/m。

3 地源热泵冷热水机组设计

1)建筑物空调负荷计算结果:冬季最大热负荷为1 700 kW，夏季最大冷负荷为2 200 kW。2)建筑物游泳池和高温池及客房等最大用卫生热水负荷为1 200 kW;游泳池和高温池维温负荷为450 kW。3)根据以上数据选择机组如下:a.螺式地源热泵机组(高温型)。制冷量1 137 kW;制热量1 080 kW;COP=5.93;EER=3.44。b.螺杆式地源热泵机组(高温热回收型)。制冷量1 137 kW;制热量1 080 kW;回收热量1 080 kW;COP=5.93;EER=3.44。c.螺杆式地源热泵机组(卫生热水型)。制热量497 kW;EER=3.9。

夏季开启编号为a和b机组或部分负荷时优先开启机组b，回收热量满足夏季最大卫生热水用热负荷;过渡季节开启机组c满足部分卫生热水负荷;冬季应优先保证空调用热负荷开启机组a和b，空调用热为部分负荷时开启机组a或b及机组c，冬夏季不足卫生热水负荷由辅助热源提供。

4 地埋管换热器设计

土壤源热泵机组的综合COP(能效比)冬季3.44，夏季5.93。根据空调负荷求出冬季最大地下取热负荷为1 207 kW，夏季最大散热负荷为2 572 kW。空调冬季从土壤吸收的热量和夏季向土壤排放的热量可以由下述公式计算:

其中，Q1为冬季从土壤吸收的热量，kW;Q2为夏季向土壤排放的热量，kW;Q热为冬季最大热负荷，kW;Q冷为夏季最大冷负荷，kW。夏季向土壤排放的热量按满负荷计算为:夏季空调向土壤排放的热量－卫生热水回收量，其值为1 492 kW，过渡季节及冬季均为从土壤吸收热量，从建筑物全年动态负荷模拟结果来看，通过调整卫生热水负荷，基本可达到放热和取热的平衡。

1)方案1。按照夏季工况进行埋管，总埋管量为:夏季向土壤排放的热量/每米埋管散热量=492 000/54.83=27 211 m。

2)方案2。按照冬季工况进行埋管，总埋管量为1 207 000/31.73=38 040 m。由此可得应按方案2考虑埋管数量。

3)地埋管场地的确定。通常地埋管换热器埋设场地可有两种选择:a.建筑物基础桩基之下;b.建筑物范围以外空地。由于地埋管换热器施工需要的时间比较长且必须在埋管完成后方可进行建筑物桩基施工，影响整个工程进度，同时埋设于桩基下的每个回路地埋管都要求接至建筑物以外，检查井内用阀门控制，以备任何一回路出现问题时能独立关断，整个管路系统复杂，且造价高，故本工程选择将地埋管敷设于建筑物以外空地。

4)埋管形式的确定。埋管形式分垂直埋管和水平埋管两种，因水平埋管占用的面积过大，本工程选用垂直埋管形式。

5)埋管数量计算。如按单u垂直地埋管设计，钻孔深度100 m，有效深度80 m，埋管孔数n=38 040/80=476，考虑15%的余量后得出埋管总数为n=548。从地质勘察报告及热向性报告来看本场地地下有大量的卵石层，为了降低埋管成本设计采用双u垂直地埋管，据资料查证:双u埋管孔数可为单u埋管孔数的85%～90%，考虑本工程场地实际情况及回路平衡，共设计7个检查井，63个回路，504个孔位，钻孔直径180 mm，钻孔间距5 m。垂直管路间采用同程并联式，供回水环路集管埋深大于1.5 m，且两管之间间距0.6 m，水平集管保持0.002以上的坡度。

5 结语

本文通过工程实例，详细介绍了地源热泵系统设计的步骤，明确了土壤源热泵系统设计时热相应报告的必要性，确定了地埋管优化设计方案，包括地埋管换热器的形式、管深、管间距等设计参数，从而解决了地埋管室外换热器和热泵机组设计和选型。由于地源热泵系统设计处于初级阶段，希望本文能对初涉地源热泵系统的设计工作者提供一些帮助。

[1]徐 伟.可再生能源建筑应用技术指南[M］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

[2]美国制冷空调工程师协会.地源热泵工程技术指南[M］.徐伟，译.北京:中国建筑工业出版社，2001.

[3]褚晓丽，法智彤.浅谈地源热泵[J］.山西建筑，2010，36(1):215-216.