吴 玮 华

(中信建筑设计研究总院有限公司，湖北 武汉　430014)



武汉某小区地埋管地源热泵设计及经济性分析

吴 玮 华

(中信建筑设计研究总院有限公司，湖北 武汉430014)

从冷热源设计与地埋管系统设计两方面，介绍了某工程地埋管地源热泵空调系统的技术方案，分析了冷热源的运行策略，并与传统空调系统进行了对比，为地埋管地源热泵和常规空调形式的系统选择提供了依据。

地埋管地源热泵，空调系统，经济性

随着近十几年来我国新建建筑的迅速增多，建筑能耗在整个能源消耗中所占比重越来越大，约占27.5%[1]，而空调采暖能耗占到整个建筑能耗的40%～50%。因此合理选择空调系统在建筑节能中显得尤为重要。地埋管地源热泵作为一种以节能和环保为特征的可再生能源空调系统，近几年发展迅速，在国内许多工程中得以应用。但是地埋管地源热泵在我国的应用仍然处于起始阶段，系统设计和工程应用仍存在一些问题。本文针对武汉某小区的地埋管地源热泵系统进行设计，并对该系统的经济性进行分析，为地埋管地源热泵和常规空调形式的系统对比选择提供依据。

1　工程概况

该小区位于武汉东湖新技术开发区，定位为高端住宅，采用地埋管地源热泵中央空调系统满足用户的夏季制冷、冬季采暖及全年的生活热水需求。地上部分建筑面积为31 112 m2，总户数为164户，入住人数约600人。

2　方案可行性分析

该项目所在地地质结构以不同风化程度的灰岩为主，存在少量的破碎带，采用地埋管地源热泵成孔速度较快，成孔深度基本可保证100 m，非常适合采用地埋管地源热泵系统。在项目绿化地打若干个一定深度的垂直孔，孔内埋设双U型换热管，利用地下土壤作为系统的冷热源，根据项目冷热量负荷情况设置辅助冷源。

3　空调冷热源设计及主要设备选型

根据建筑图纸经逐时逐项负荷计算，得出空调冷负荷为1 860 kW，空调热负荷为1 396 kW，生活热水负荷为184 kW。

系统采用螺杆式冷热水型地埋管地源热泵机组，螺杆式冷热水型地埋管地源热泵机组能制取7 ℃的空调冷水、45 ℃的采暖热水和55 ℃的卫生热水，夏季还能免费提供生活热水，不仅能满足夏季供冷、冬季供暖的需要，还能满足冬夏季生活热水的需要。根据负荷计算结果选3台地埋管地源热泵机组，机组参数见表1。

表1　地埋管地源热泵机组主要参数

地埋管地源热泵机组制冷工况：冷冻水进出口温度为12 ℃/7 ℃，源水进出口温度为25 ℃/30 ℃；制热工况：热水进出口温度为40 ℃/45 ℃，源水进出口温度为10 ℃/5 ℃。

主机运行模式如下：1)夏季：优先开启部分热回收主机满足全部卫生热水需求及部分空调负荷需求，负荷较大时开启标准型主机参与制冷，峰值负荷时3台主机全开；2)过渡季节：在不需要空调时，开启全热回收主机满足生活热水需求；3)冬季：开启全热回收主机满足生活热水需求，根据负荷情况，开启部分热回收主机和标准型主机满足空调采暖需求。

4　源侧系统设计

在地埋管地源热泵的运行过程中，埋管方式、管井的水平间距和冬、夏季运行时间的分配对土壤的温度场分布和热量的平衡有着重要的影响。结合本项目的地质情况及用地条件，建议采用双U管系统。

4.1源侧换热系统分析

根据地埋管地源热泵系统勘察报告的测试结果，考虑地下埋管的进出水温度、回填料、适当的流速，考虑到系统安全性取保守值，夏季土壤换热量取58 W/m，冬季土壤换热量取45 W/m。

在其他条件相同的情况下，管井水平间距越小，土壤的温度变化相对越大；管井水平间距越大，土壤的温度变化相对越小，相同条件下其运行性能越好，运行时间的调节范围也相对越大。针对本项目埋管区域较大和主要集中在地下室的特征，地埋管埋管间距取4 m～4.5 m，以保证地埋管系统换热性能。

地埋管地源热泵系统的排热和吸热的平衡是保证系统正常运行的关键因素。因此，科学的运行管理措施是确保土壤有效提供热源和冷源的重要因素。

4.2源侧换热系统负荷计算及埋管计算

换热器设计必须保证运行期内，源侧水温在设计工况上下限内，同时确保地埋管地源热泵机组运行效果不下降。设计的依据为整个空调最大的散热量和最大的吸热量。

系统最大散热量与建筑设计冷负荷相对应。包括各空调分区地源机组释放到循环水中的热量(空调负荷和机组压缩机耗功)、循环水在输送过程中得到的热量、水泵释放到循环水中的热量。上述三项热量相加就可得到供冷工况下地埋管地源热泵系统总散热量。系统最大吸热量与建筑设计热负荷相对应。包括各空调分区地源机组从循环水中的吸热量(空调热负荷，扣除机组压缩机耗功)、循环水在输送过程损失的热量并扣除水泵释放到循环水中的热量[2]。

根据所选主机的性能参数，机组的平均COP值取6.00，机组的平均EER值取3.77。计算得出系统夏季最大散热量为2 134 kW，冬季最大吸热量1 256 kW。

考虑到源侧热平衡的问题，按照地埋侧的设计负荷分别计算冬季和夏季工况的埋管长度，然后取最大值。计算得出夏季制冷所需竖井总深度大于制热时需竖井总深度，考虑到系统经济性和土壤热平衡，埋管总深度按冬季的吸热量计算，并考虑一定余量，夏季埋管量不足部分考虑采用1台150 t/h 冷却塔对应一台标准型主机运行。

根据本项目大致地质情况可得，本项目初步选取单井有效深度为100 m，则所需的竖井数目为279个。

由于整个场地地质情况可能出现变化，为保证地埋管系统的可靠性，一般设计时，钻孔总量需要考虑3%～5%的余量，设计钻孔数量为288口。

5　经济性分析

根据业主的要求，对本项目利用地埋管地源热泵中央空调系统进行经济性分析。

5.1初投资比较

本项目中地埋管地源热泵系统与其他空调系统形式初投资比较见表2。

表2　地埋管地源热泵系统与常规系统初投资对照表

5.2运行费用计算

由于输送及空调末端耗电量基本相同，本文仅比较冷热源耗电量。

供冷工况时，部分负荷运行时间与部分负荷运行的机组效率按GB 50189—2015公共建筑节能设计标准估算。部分负荷运行时间分别为100%负荷占总运行时间1.2%；75%负荷占总运行时间32.8%；50%负荷占总运行时间39.7%；25%负荷占总运行时间26.3%[1]。供热工况时，部分负荷时间目前国内无相关数据，暂按夏季制冷IPLV的系数取值。制冷季按照120 d，制热季按照90 d，过渡季按照155 d计算，每天运行12 h。

考虑相同的开启时间，电价按商业电价0.945元/kWh，天然气按3.675元/m3计算，不同空调系统的运行费用比较见表3。

由于不同季节自来水的进水温度不同，热水负荷也随着季节变化，夏季自来水温度取25 ℃，冬季取5 ℃，过渡季取15 ℃[3]。热水使用率按50%考虑，不同系统年热水运行费用对比见表4。

地埋管地源热泵虽然初投资比冷水机组+锅炉系统要高，但是运行费用要低，结合冬夏季空调运行费用及热水运行费用，可以对比计算地埋管地源热泵的静态投资回收期(见表5)。

表3　空调系统运行费用对比

表4　不同系统年热水运行费用对比

表5　不同空调系统投资回收期对比

通过对比，地埋管地源热泵空调系统比传统空调系统具有明显的经济优势：1)地埋管地源热泵机组制冷的COP值为6.0，比水冷螺杆机组制冷的COP值4.95高21.2%；2)虽然地埋管地源热泵空调系统的初投资多出355万元，但每年的运行费用可以节约45.8万元，静态投资回收期为7.75年，而且随着电费费率的提高，投资回收期会相应缩短。

6　结语

地埋管地源热泵作为一种可再生能源空调形式，在实际应用中具有良好的经济效益和社会效益。但是在实际设计中，需对土壤的热平衡进行详细计算，保证地源热泵系统的排热和吸热的平衡，使系统能够正常运行。

[1]GB 50189—2015，公共建筑节能设计标准[S].

[2]GB 50366—2005，地源热泵系统工程技术规范(2009版)[S].

[3]GB 50015—2003，建筑给水排水设计规范(2009版)[S].

Design and economic analysis of ground source heat pump system of a residential area in Wuhan

Wu Weihua

(CITICGeneralInstituteofArchitecturalDesignandResearchCo.,Ltd,Wuhan430014,China)

Introduces the technical scheme of the GSHP air-conditioning system, from the design of air conditioning cold and heat sources and design of underground pipe system, analyzes the operation strategy of the cold and heat sources, and compares with the traditional air conditioning system, provides the basis for system comparison and choice of GSHP and conventional air conditioning form.

ground-coupled heat pump, air conditioning system, economy

1009-6825(2016)19-0113-02

2016-04-23

吴玮华(1985- )，男，硕士，工程师

TU832

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