地源热泵空调系统设计

近年来随着能源和环境的问题日益严重,在满足人们健康、舒适要求的前提下,合理利用能源,保护环境,减少常规能源消耗、节约能源已成为暖通空调行业需要面对的一个重要课题。土壤源热泵热泵空调系统是通过吸收大地(包括土壤、井水、湖泊等)的冷热量,冬季从大地吸收热量,夏季从大地吸收冷量,再由热泵机组向建筑物供冷供热而实现节能,是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型空调系统。

地源热泵空调系统设计

[摘要] 分析了地源热泵系统的特点,对地源热泵空调系统设计过程中经常遇到的冷热负荷确定、地热换热器的选型、室内空气的气流组织形式、热泵的容量等问题进行探讨。

[关键词] 节能；容量；选型；性能；空气分配

[中图分类号]TQ051.5；TU831 [文献标识码]B

一、前言

地源热泵（Ground-source heat pump）是一种利用地下浅层地热资源既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温热源向高温热源的转移。地源热泵的闭合回路部分由埋于地下的长塑料管组成，该管道埋在地下与土壤耦合，管内的流体与土壤之间进行换热。热泵在闭合回路和室内负荷之间传递热量。该系统由闭式埋管系统，水源热泵和室内分配系统组成。其中分配系统用来对加热和冷却的空气和水在房间内进行分配。由于较深的地层在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度，因此地源热泵可以克服空气源热泵的技术障碍，且能效比大大提高。

二、地源热泵的优点

地源热泵由于其技术上的优势，推广这种技术有明显的节能和环保效益。地源热泵系统具有以下优点：

（1）节能、运行费用低。深层土地资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源。这种温度特性使得地源热泵系统比传统空调系统运行效率要高约40%。另外，地源温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，整个系统的维护费用也较锅炉-制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。

（2）一机多用，节约设备用房。地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置。机组紧凑、节省建筑空间，减少一次性投资。

（3）保护环境。开发推广地源热泵空调技术可彻底废除中小型燃煤锅炉房，该装置没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，没有任何污染，不会影响城镇的环境质量。

（4）利用再生能源，可持续发展。地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源，进行能量交换的采暖空调系统。地表浅层地热资源量大面广，无处不在，它是一种清洁的可再生能源。因此，利用地热的地源热泵，是一种可持续发展的“绿色装置”。

三、地源热泵系统的设计

地源热泵早在20世纪50年代就已经在一些北欧国家的供热中得到实际应用。随着人们生活水平的提高，以及人们对矿物燃料在迅速枯竭以及大量消耗矿物燃料带来了严重的环境污染这一严峻性的全球问题

近年来随着能源和环境的问题日益严重,在满足人们健康、舒适要求的前提下,合理利用能源,保护环境,减少常规能源消耗、节约能源已成为暖通空调行业需要面对的一个重要课题。土壤源热泵热泵空调系统是通过吸收大地(包括土壤、井水、湖泊等)的冷热量,冬季从大地吸收热量,夏季从大地吸收冷量,再由热泵机组向建筑物供冷供热而实现节能,是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型空调系统。

的重视，具有显著节能、环保特点的地源热泵得到了迅速发展。20世纪70年代石油危机以后，美国和加拿大开始在建筑物的供热和空调中大量采用地源热泵技术 ，但此时主要采用水平埋管的方式。自20世纪80年代以来，在北美也形成了利用地源热泵对建筑物进行冷热联供的研究和工程实践的新一轮高潮，技术逐渐趋于成熟。这一阶段的地源热泵主要采用垂直埋管的换热器，埋管的深度通常达100-200米，因此占地面积大大减小， 应用范围也从单独民居的空调向较大型的公共建筑扩展。如今国外在地源热泵的应用方面已趋于产业化，热泵技术已经比较成熟。而地源热泵系统的研究和开发在国内还属于刚起步阶段。根据国外部分工程实例，并针对我国的国情和实际可操作性，下面分析一下该系统设计时所需要注意的问题：

（1）确定建筑物的冷热设计负荷

设计负荷是用来确定系统设备的大小和型号的，根据设计负荷设计空气分布系统（送风口，回风口和风管系统），设计负荷的计算必须以当地设计日的标准设计工况为依据。在确定建筑物的最大负荷时，必须逐时计算出每个房间、每个区域所必需的负荷信息，并求出其中的最大值。 为了进一步分析地源热泵系统的能耗情况，必须对建筑物进行必要的能耗计算。通常所采用的方法有：度日法，温频法和逐时法。 度日法是最简单的计算方法，但通常结果不理想。当系统运行效率取决于室外空气条件时，不能采用度日法计算该系统的能耗，例如地源热泵系统。

温频法是将全年温度划分为若干组，分别计算系统在每个温度组内的能耗量。温频法考虑到了外空气的影响和部分负荷工况的影响，而且该方法可以通过精确划分满足特殊系统的要求。温频法计算能耗对于手算 和计算机计算都很方便。 逐时法主要是用于需要确定大量细节的大型建筑的能耗计算，由于其计算量非常大，通常采用计算机计算。

（2）热泵系统的选择

对住宅和商业系统来说，设备通常是一个机组模块，一旦选定一个机组，则许多参数都是固定的，调节的余地不大。例如，水源热泵的设计水流量的调节范围也是有限的。因此，系统的其他部分如风机盘管系统或地热换热器以及防冻循环泵等都必须与热泵的制热（冷）量要求相匹配。在大型建筑热泵系统内，一般要采用二次输送系统。在这种系统中，中央机组的确定应满足建筑物的最大负荷。而二次输送系统中的空气处理器的换热能力应满足该区域的当地负荷。

①热泵容量的选择：

热力循环原理表明同一热泵不可能同时满足冷热两种负荷。选择热泵容量的依据究竟是热负荷还是冷负荷呢？这个问题的解决首先要考虑人的舒适感。当系统的制冷量大于冷负荷时，系统必须频繁的启动，这会造成盘管的平均温度升高，同时又不能去除室内空气中的湿度，频繁的循环还会降低设备的使用寿命，降低运行效率，增加制冷过程的运行费用。设备选得过大也会增加系统的初投资。因此，在山东地区选择热泵应该以冷负荷为依据。由于在北方地区热负荷相对较高，而夏季的潜热相对较低，在这种情况下，设备容量的选择可以适当偏大，但一般不要超过冷负荷的25%。

近年来随着能源和环境的问题日益严重,在满足人们健康、舒适要求的前提下,合理利用能源,保护环境,减少常规能源消耗、节约能源已成为暖通空调行业需要面对的一个重要课题。土壤源热泵热泵空调系统是通过吸收大地(包括土壤、井水、湖泊等)的冷热量,冬季从大地吸收热量,夏季从大地吸收冷量,再由热泵机组向建筑物供冷供热而实现节能,是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型空调系统。

②热泵性能的确定：

假定其他变量如空气体积流量，室内空气温度等保持不变，则地源热泵的性能取决于热泵的进水温度，必须确定室外空气和进水温度之间的关系。进水温度与多个因素有关，如一年的运行时间，土壤类型，地热换热器的类型、大小等。当季节变化时，如果系统不频繁运行，进水温度大约和地下土壤的温度相同。 ③地热换热器的负荷计算：

地热换热器的设计需要知道在某一特定阶段内从地下吸取的热量或释放到地下的热量，通常应满足一年中最冷月和最热月的要求。在供冷季节，输入系统的所有能量都必须释放到地下，这些能量包括系统热负荷、系统耗功量和地热换热器循环泵的耗功量。循环泵耗功量可近似为泵的耗功量与热泵运行小时数的乘积。在供热季节，从地下吸收的热量等于设备的制热量减去输入的电功。输入的热量包括压缩机耗功量和地热换热器循环泵的耗功量。

④地热换热器的选型：

地热换热器的选型包括型式和结构的选取，对于给定的建筑场地条件应尽量使设计在满足运行需要的同时成本最低。地热换热器的选型主要涉及以下几个方面：

a）地热换热器的布置型式，包括埋管方式和联结方式。

埋管方式可分为水平式和垂直式，选择主要取决于场地大小、当地土壤类型以及挖掘成本，如果场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济；如果场地面积有限时则采用垂直式布置，很多场合下这是唯一的选择，如果场地土中有坚硬的岩石，用钻岩石的钻头可以成功钻孔。联结方式有串联和并联两种，在串联系统中只有一个流体通道，而并联系统中流体在管路中可有两个以上的流道。采用串联或并联取决于成本的大小，串联系统较并联系统采用的管子管径要大，而大直径的管子成本要高。另外，由于管径较大，系统所需的防冻液也较多，管子重量也相应增大，导致安装的劳动力成本也较大。

b）塑料管的选择，包括材料、管径、长度、循环流体的压头损失。聚乙烯是地热换热器中最常用的管子材料。这种管材的柔韧性好，且可以通过加热熔合形成比管子自身强度更好的连接接头。

管径的选择需要遵循以下两条原则：其一，管径足够大，使得循环泵的能耗较小；其二，管径足够小，以使管内的流体处于紊流区，使流体和管内壁之间的换热效果好。同时在设计时还要考虑到安装成本的大小问题。

管子的长度取决于流体流量和允许的压头损失。一般情况下，流体流过热泵的水换热器的压头损失与流体流过地热换热器以及相关管道的压头损失大小大致相当。

c）循环泵的选择。

近年来随着能源和环境的问题日益严重,在满足人们健康、舒适要求的前提下,合理利用能源,保护环境,减少常规能源消耗、节约能源已成为暖通空调行业需要面对的一个重要课题。土壤源热泵热泵空调系统是通过吸收大地(包括土壤、井水、湖泊等)的冷热量,冬季从大地吸收热量,夏季从大地吸收冷量,再由热泵机组向建筑物供冷供热而实现节能,是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型空调系统。

选择的循环泵应该能够满足驱动流体持续的流过热泵和地热换热泵，而且消耗功率较低。一般在设计中循环泵应能够达到每吨循环液所需的功率为100W的耗能水平。

（3）选择室内空气分布系统

地源热泵系统的室内分配系统选择相当灵活，可以采用多种方式。例如：风机盘管系统，地板采暖方式，全空气系统等。通常采用风机盘管系统时，空气分布系统的设计主要考虑以下三个方面： ①选择安装风管的最佳位置；

②根据室内的得热量/热损失计算来选择并确定空气分布器和回风格栅的位置；

③根据热泵的风量和静压力，布置风管的走向，确定风管的尺寸。

室内分配系统一般采用既能供热又能供冷，因此设计时必须二者兼顾。一个不能提供舒适性环境的系统运行时效率必然很低。地源热泵系统通常采用两种类型的送风系统：地板四周下送风系统和吊顶上送风系统。

对于只有一层的建筑来说，热泵系统的送风装置的理想安装位置就是沿房间外墙地板或四周的地板。这种送风方式是处理过的空气形成一股垂直向上分散的气流，这使系统无论在冬季还是夏季都能保证良好的气流分布和良好的舒适感。地板下送风系统通常采用吊顶回风或上回风方式回风。上回风系统中，顶棚周围的热空气由于虹吸作用被吸入回风管内，当系统开始运行时冷空气从地板下向上流动，并充满整个房间。由于在制冷运行期间，将最热的空气返回系统，故系统的效率较高。

由于经过地源热泵系统处理的空气比空气源热泵处理的空气温度高，但比从锅炉出来的空气温度要低，为了保证能有一个舒适的环境，设计的风管和空气分布器应能向室内送入足够的风量。

四、工程实例

山东建筑工程学院学术报告厅采用地源热泵系统。该工程位于建工学院新建图书馆的二层，总建筑面积500平方米，总座位480个。报告厅下面一楼为学生自习室，结合教研需要，采用地源热泵加地板采暖的方式采暖。

学术报告厅空调热负荷为79.4kW，空调冷负荷为110kW。学生自习室采暖热负荷为43.7kW。热泵机组选性：采用烟台荏原空调有限公司和潍坊宏力冷暖设备有限公司生产的水—水型热泵机组。

地热换热器部分：采用垂直地下埋管系统。垂直埋管埋于图书馆前的广场上，铺设完毕后以草坪覆盖。地下埋管采用并联结构，共25组，孔深60米。

五、结束语

近年来随着能源和环境的问题日益严重,在满足人们健康、舒适要求的前提下,合理利用能源,保护环境,减少常规能源消耗、节约能源已成为暖通空调行业需要面对的一个重要课题。土壤源热泵热泵空调系统是通过吸收大地(包括土壤、井水、湖泊等)的冷热量,冬季从大地吸收热量,夏季从大地吸收冷量,再由热泵机组向建筑物供冷供热而实现节能,是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型空调系统。

作为一种高效的环保节能绿色产品，地源热泵在我国有着广阔的应用前景。它的应用将产生重大的经济效益和社会效益