卢 勇

（苏州经贸职业技术学院，江苏 苏州 215021）

一、引言

环境污染和能源危机已成为当今社会的两大难题，如何在享受资源的同时付出最少的代价逐渐成为人类的共识，在这种背景下，以环保和健康为主要特征的绿色建筑应运而生。尽可能少地消耗能源为建筑物创造舒适环境已经成为空调的发展方向，开发利用天然的冷、热源能够为空调带来节能和环保双重效益，该技术越来越受到人们的重视。地下土壤是一个巨大的天然资源，其热惰性极大，全年的温度波动很小，一般说来，埋藏于地表20m以下的土壤可常年维持在该地区年平均温度左右，是一种理想的天然冷热源。

地源一词是从英文“ground source”翻译而来，它包括所有地下资源的含义。但在空调业内，目前仅指地壳表层（小于400米）范围内的低温热资源，它的热源主要来自太阳能，极少能量来自地球内部的地热能。地源热泵的技术思路则是以少量高品位能源（电能），实现低品位热能向高品位转移。地源介质在冬季作为热泵供暖的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地源介质中的热量“吸取”出来，提高循环介质温度后，供人采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地源介质中去，由地源介质将其储存。机组提取地埋管系统循环水的低位能量并将其转变为高位能量，然后输送给冷暖水循环系统(用户末端)。

在未来几年中，中国面临着巨大的能源压力。中国经济在保持较高速度增长的同时，必须考虑环保和可持续发展问题。1995年以来，经过十多年的市场导入，全国十几个省市有近百家企业在着手开发地源热泵项目，有近2 000个项目完工起到了示范效应，中国建筑地源热泵市场已经开始启动并走向成熟和大量使用期。

二、设计分析

（一）工程概况

该工程为江苏某信息城二期，共分成三部分，其中综合楼建筑面积21 000平方，夏季空调冷负荷：2 800KW，空调冷指标：135w/m2，冬季空调负荷：1 700KW，空调热指标：80w/m2；C1—C4 单元空调面积为22 167平方，夏季冷负荷：3 990KW，单位空调面积冷负荷≥180 w/m2，冬季空调负荷：2 217KW，单位空调面积热负荷≥100 w/m2；C5—C9单元空调面积：24 762平方，夏季空调冷负荷：4 457KW，单位空调面积冷负荷≥180 w/m2，冬季空调负荷：2 476KW单位空调面积热负荷≥100 w/m2。中央空调准备采用地源形式加冷水机组，土壤源地源热泵系统主要能满足冬季的制热及热水要求，冷却塔系统用于夏季辅助制冷。

（二）设计依据

设计依据分别为：《采暖通风与空气调节设计规范》（GBJ19-87）、《高层民用建筑设计防火规范》（GB500-45-95）、《采暖通风与空气调节制图标准》（GBJ114-88）、《建筑设计防火规范》（GBJ16-87）、《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》（GB50242-2002）、《通风与空调工程施工质量验收规范》（GB50243-2002）、《人民防空工程设计防火规范》（GBJ98-87）、《实用空调设计手册》以及业主提供的图纸及资料等。

（三）空调设计参数

1.室外空气计算参数

位置：江苏地区。

夏季：空调计算干球温度34℃，空调计算湿球温度28.2℃，大气压力996kPa，室外平均风速：3.2m/s。

冬季：空调计算干球温度-4℃，大气压力1018kPa，室外平均风速：3.1m/s。

2.室内空气计算参数（见表1）

表1 室内空气计算参数

（四）空调方案设计

树立以系统设计为本的设计思想，用长期和综合的眼光分析问题，为用户提供可靠的地源热泵系统，划分空调系统和确定空调方式，结合实际投资预算，拟采用图1所示方案。

图1 混合式地源热泵系统示意图

空调主机采用螺杆式水地源热泵机组；土壤源地源热泵系统主要能满足冬季的制热及热水要求，冷却塔系统用于夏季辅助制冷。

室外换热系统采用闭垂直式地埋管换热系统，室内系统采用组合式空调机组及嵌入式风盘。

综合楼夏季空调冷负荷：2 800KW，冬季空调负荷：1 700KW，C1—C4空调夏季空调冷负荷：3 990KW，冬季空调负荷：2 217KW。C5—C9夏季空调冷负荷：4 457KW，冬季空调负荷：2 476KW。把三幢楼做成一个大系统，冬季空调总负荷为6 393KW，同时使用率取90%，装机负荷为6 393KW×90%=5 754 KW。选AWSH1933F螺杆地源热泵机组3台，单台热负荷2 004 KW，合计热负荷6 012 KW，可满足使用要求。三幢楼总冷负荷为11 247KW，配置3台AWSH1933F螺杆地源热泵机组，总制冷量为2 043 KW×3=6 129KW，冷负荷还少11 247KW-6 129KW=5 118KW。由于是综合楼及办公楼组成，同时使用率取75%，冷水机组装机负荷为5 118KW×75%=3 839KW，配置2台AWSA1933FM螺杆式冷水机组，总制冷量为1 956KW×2=3 912KW。

（五）土壤耦合器设计

由全年地埋管系统热平衡可知，全年总放热量要高于总吸热量，经过长期运行，周围土壤温度升高，换热器能力减弱，影响系统性能和运行。根据空调负荷及地源热泵设计要点，取冷和取热必须达到冷热平衡，故以冬季热负荷最大吸热量作为地埋管换热系统打井数量的一个标准，夏季空调冷负荷不足部分仍然由冷却塔承担。这样既节约了初投资，又能常年维持土壤恒温。

根据施工经验及本工程附近工程的换热报告，每米井深单U型管垂直埋管，夏季向大地放热量为60w/m井深，冬季从大地吸热量为48w/m井深。

实际打井数量为：2 004×3÷48÷0.12=1 043.75（个），取整数为1 044个（每口井120米深）。

通过土壤耦合器总的放热量为：1 044×60×0.12=7 516KW，而夏季总的冷负荷为9 780KW，还差2 264 KW热量，可以通过冷却塔放热，夏季当温度超过设定值t时，启动冷却塔，系统配置2台300吨冷却塔。

（六）设计说明

本设计空调系统主要由地源热泵主机夏季制冷模式、冬季制热模式提供冷热源。

1.夏季制冷模式

夏季通过地源热泵主机将地下恒温带18℃左右的低品位地热能提升成7℃左右的高品位冷源，然后通过水泵将载有高品位冷量的冷冻水输送到布置在各个功能区域的风机盘管，通过空调风口布置及气流组织设计保证每个功能区域持续保持适宜温度。

2.冬季制热模式

冬季则通过地源热泵主机将地下恒温带14℃左右的夏季蓄存的能源提升成45℃左右的高品位热源，然后通过水泵将载有高品位热量的热水输送到布置在各个功能区域的地热管路，实现每个区域持续保持适宜温度。

三、结语

地源热泵系统利用地壳表层低温热资源作为空调机组的制冷制热的冷热源，具有以下优点：属可再生能源利用技术，高效节能，运行稳定可靠，环境效益显著。在地源热泵系统设计中采用夏季冷却塔系统辅助制冷，可以达到真正节能环保的目的，常年维持土壤恒温，保护地下生态平衡。相信在不久的未来，该系统前景无限。

[1]朱立.空气调节技术[M].北京:高等教育出版社，2008.

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