李美琼

摘要 通过将地源热泵空调系统应用于咸阳地区某宿舍楼这一工程实例，详细介绍了地源热泵空调系统的冬夏季运行情况，并结合实际工程对地源热泵空調系统做出详细的方案设计，使这一新型节能空调系统得到良好的应用和推广。

关键词 宿舍楼 地源热泵空调系统 节能

0 引言

在我国由于能源价格的特殊性以及人们节能、环保的认识程度以及其它一些因素的影响，地源热泵空调技术应用和发展比较缓慢，人们对之尚不十分了解，推广较困难。然而随着人们生活水平的提高，人均能耗的增长，一次性矿物能源的日益衰竭以及环境的日趋恶化，地源热泵技术已越来越引起人们的重视，这就对地源热泵空调系统设计提出了新的课题。

1 工程概况

宿舍楼位于西咸沣渭新区，总建筑面积17588㎡，每幢楼总建筑面积为5862.89㎡，建筑层数6层，总建筑高度为18.45m。

2 室内外设计计算参数

1.1 室内设计参数

1.2 室外设计参数

3 地源热泵中央空调系统概述

3.1空调冷热源系统

根据空调冷、热负荷进行热泵机组的选型，选用2台YEWS170HA50E-HP型地源热泵机组作为空调冷热源。2台YEWS170HA50E-HP型地源热泵机组同时制冷或制热提供宿舍的空调使用，并且可根据室外温度变化和室内温度的设定，机组进行负荷匹配和调节，可实现高峰和低谷的切换使用。

地源热泵空调系统冬夏季工作原理图如下：

1）在夏季，地下18℃左右的温度与室外温度相比可称为低温。地源热泵主机收集室内多余的热量，通过循环水将热量排入环路而为大地所吸收，同时吸收大地的较低温度再排到室内，使房屋得到供冷。

2）在冬季，地下18℃左右的温度与室外温度相比可称为高温。埋在地下的封闭管道从大地收集自然界的热量，管道中的循环水把热量带给地源热泵主机，主机将大地的能量提取出来并集中，再以较高的温度释放到室内，提供空调制热。

3.2空调风系统

宿舍楼采用单独设置风机盘管的空调方式，每个房间设卧式暗装风机盘管，宿舍内风机盘管采用侧送上回气流组织方式，洗衣房风机盘管采用上送上回气流组织方式，本次设计中新风由门窗开启换气，宿舍卫生间采用换气扇排风（用户自理），公共卫生间由外窗排风。

4 机房及室内管网设计

4.1空调冷、热负荷的确定

空调房间冷（热）负荷的计算是确定空调系统送风量和空调设备容量的基本依据。本系统冷热源来自热泵机房冷热水管，空调冷冻水供回水设计温度为7℃/12℃。

本项目总建筑面积约1.8万平方米，空调系统总冷负荷为1100KW，总热负荷为720KW。

4.2 热泵机组选型

本项目宿舍楼共有3栋，每栋6层，每层共21个宿舍，采用地源热泵中央空调系统实现夏季制冷、冬季采暖。本工程的空调使用的冷、热源的热源确定为采用PE100单U型垂直地埋管土壤源换热器，冬季从地下提取热量，夏季向地下排放热量。

本项目集中考虑空调冷热源，全部由设于动力机房中的地源热泵机组提供。根据空调冷热负荷进行热泵机组的选型，选用2台YEWS170HA50E-HP型地源热泵机组作为空调冷热源。

5 室外管网设计

5.1室外地埋管系统换热量以及井数计算

室外地埋管换热器数量以夏季冷负荷所需的换热量考虑10%的安全系数为基准选取，可同时满足夏季制冷、冬季采暖的需求；

根据咸阳地区以往的施工经验，以及本项目做出来的岩土热物性测试结果，测试工况下每米井深换热量为：测试条件下40.45W/m，根据测试情况下的数值推导综合热阻值计算冬季工况下平均每延米深换热量约为：39w/m，夏季为56w/m。

根据《地源热泵系统工程技术规范》2009版GB50336-2005，计算地埋管换热器钻孔的长度；

1）制冷工况下，室外竖直地埋管换热器钻孔的长度可按下式计算：

Lc=1000Qc[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fc+Rsp×（1-Fc）]/（tmax- t∞）×（EER+1/EER）

Fc=Tc1/Tc2

2）供热工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度可按下试计算：

Lh=1000Qh[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fh+Rsp×（1-Fh）]/（t∞-tmin）×（COP-1/COP）

Fh=Th1/Th2

式中各符号表示意义可参见《地源热泵系统工程技术规范》2009版GB50336-2005相关内容。

由于夏季空调冷负荷所需换热量大于冬季热负荷所需换热量，故室外地埋管换热器数量以夏季冷负荷所需换热量并考虑10%的安全系数为基准选取；因此可以计算出夏季工况下需要的总打井深度。

经上式计算夏季工况及延米换热量数值计算总打井长度需9167米；

地埋管换热器井深度按120米计算，考虑10%的安全系数则以夏季井数为准，则总数量为180口，布置180口地埋管换热器可同时满足夏季制冷和冬季供热的要求。

根据布置情况，场地可以提供满足以上换热器数量的布置要求。

5.2 管材的选择

室外地埋管管材及管件全部采用HDPE高密度聚乙烯地埋管专用管材管件（ 32， 50， 63性能见下表），系统使用寿命为50年。

公称外径（mm） 公称壁厚/材料等级（mm） 公称压力（Mpa）

32

50

63 3.0（PE100）

4.6（PE100）

5.8（PE100） 1.6

1.6

1.6

5.3布管方式确定

地埋管水平连接方式：每4眼井一组，两组串联采用5通联箱，通过 63PE管通往集分水器，通过大量的工程实践，我们得出的经验是：地埋管系统设计越简单，用的管材、件规格越少，焊点越少，系统越可靠。在本次设计中，管材只有三种： 32、 50与 63；管件只有4种：地下单U弯头、五通联箱、电熔变径、电熔套筒。管材与管件连接全部采用电熔焊接，从而最大程度上保证了系统的可靠性。并联保证了地埋管每一个环路都处于最佳换热状态。为减小水平管道中的循环液的温度不受外界环境气温影响，水平埋深至少为地面以下1.5m（咸阳冻土层厚度为0.24m）。

6 结语

地源热泵是利用清洁可再生能源的一种技术，是一种利用地球所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖制冷空调系统。本文通过对咸阳地区某宿舍楼地源热泵空调系统设计方案的探讨，利用当地良好的地质条件及适宜的土壤温度，将这一新型节能空调系统应用于实际工程实践中，推动了地源热泵技术的应用和发展。

参考文献：

[1] 美国制冷空调工程师协会.地源热泵工程技术指南[M].徐伟，等，译，郎四维，校.北京：中国建筑工业出版社，2001

[2] 中国建筑科学研究院.GB50366-2005地源热泵系统工程技术规范[S].2009年版.北京：中国建筑工业出版社，2009