地源热泵系统设计分析

地源热泵系统设计分析

摘要：随着全球能源危机和环境问题的出现，地源热泵的应用消除了使用常规锅炉供暖中造成的环境污染，因而是一种清洁、高效、节能的空调产品。本文笔者主要结合自己多年从事地源热泵系统的设计方面工作，结合实例针对其进行了分析。

关键词：地源热泵；设计参数；方案

abstract: with the global energy crisis and environmental problem arises, the application of ground source heat pump eliminates the use of conventional boiler heating caused by environmental pollution, it is a kind of clean, efficient and energy-saving air conditioning products. in this paper the author mainly according to many years engaged in the design of ground source heat pump system to work with the examples, according to the analysis.

keywords: the ground source heat pump; design parameters; scheme

中图分类号： th3 文献标识码：a 文章编号：

1 工程应用实例

1.1 工程概况

表1 地源热泵系统负荷设计参数

名称冷负荷（kw）热负荷（kw）

综合服务楼 2400 1600

该综合服务楼，其主要包括公寓部分和公共部分。总建筑面积：31176m2。地下：2759m2，为车库。地上：27579m2，为公寓楼和公共部分。其中，公寓楼部分：23159m2；公共部分：4419m2。本项目采用地源热泵空调系统，夏季送冷风，冬季送热风，冷热源集中设置。

2.2 空调室内外设计计算参数

2.2.1 空调室外设计参数

（1）空气调节室外计算（干球）温度33.2℃，空气调节室外计算湿球温度26.4℃，空气调节日平均温度28.6℃，室外计算相对湿度最热月平均78%，室外平均风速1.9m/s，大气压力98.86kpa。

（2）空气调节室外计算（干球）温度-12℃，通风室外计算（干球）温度-9℃，最低日平均温度-15.9℃，室外计算相对湿度最冷月平均45%，室外平均风速2.8m/s，大气压力102.04kpa。

2.2.2 空调室内设计参数

参数设计见表2。

表2 空调室内设计参数

2.3 空调设计方案

2.3.1 冷热源选择

本工程共设3台冷水机组（u1～u3），由于项目冷热需求的不平衡性（设计工况下夏季向土壤放热量为冬季从土壤取热量的1.5 倍），因此以冬季制热工况负荷选定2 台土壤源热泵机组（u1、u2），

设计工况下单台机组制热量为804kw，供冷量为835kw。土壤源热泵夏季供冷不足部分另设1 台螺杆式冷水机组（u3），采用冷却塔散热，供冷量为835kw。冷水机组具体参数见表3。

表3 冷水机组主要参数

2.3.2 中央空调机房设计

热泵机组及配套设备设在一层机房。机房集、分水器各一台，地埋系统集、分水器两台，机房集、分水器主管与机房管道连接，支管与地埋系统集、分水器主管连接，地埋系统集、分水器支管与地埋管系统支管连接。

站房内设置2 台立式管道泵（jb-1、2）作为土壤源侧水循环的循环水泵，设置3 台立式管道泵（b-1、2、3）作为用户侧循环水泵，其中夏季3台工作，冬季2 台工作1 台备用。设置1 台立式管道泵（b-1）作为u-3 机组冷却水循环泵。

设置1套全自动软化水设备（rs-1）、1个软水储水箱及2套全自动定压补水机组（dy-1、2）作为用户侧及土壤热交换器侧两个系统的定压。空调冷热源水路系统原理图见图1。

图1 空调冷热源水路系统原理图

2.3.3 空调水系统与末端装置

空调水系统采用一次泵变水量双管制系统，空调冷热水立干管采用同程设置，每层水平干管采用异程设置。系统采用立式膨胀罐定压方式。末端部分主要采用全空气系统和风机盘管加新风系统。

2.4 地埋换热器系统设计

地下埋管换热器是地埋管地源热泵系统设计的核心部分，设计合理与否直接影响到系统的运行效果及初投资。土壤的初始温度、类型、传热特性以及密度和湿度等参数是影响埋管换热器设计的重要参数，因此做好施工场地的地层勘察和土壤热物性测试工作非常重要。同时，建筑物全年累计的冷热负荷通常是不均衡的。因此在埋管换热器的设计中，必须要确定的是依据冬季热负荷还是夏季的冷负荷来计算换热器长度。另外，建筑物的冷热负荷都是随着环境温度的变化而变化的，所以运用动态负荷计算软件来分析建筑物的全年逐时负荷非常重要[2]。

根据本区域的地质资料表明，工程场区松散沉积层岩性主要为粘性土、砂土（细沙、粉砂）和粉土，且分布层位较稳定，可钻行较好。在工程场区130m 深度范围内，赋存多层地下水，存在较强的地下水渗流作用，有利于地埋管换热器的传热并可减弱地埋管换热器吸放热不平衡现象。本工程130mm 地层导热系数和建议取值如表4 所示。

表4 地层热物理性参数取值

2.4.1 换热器换热量的选取

地源热泵系统最大释热量与建筑设计冷负荷相对应。包括：各空调分区内地源热泵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。将上述三项热量相加就可得到供冷工况下释放到循环水中的总热量。即：

最大释热量=σ[空调分区冷负荷×(1+ eer)]+σ输送过程得热量+σ水泵释热量（1）

本项目场地的垂直双u 型埋管单孔深排热量按58w/m计；取热量按34w/m计。

地源热泵系统最大吸热量与建筑设计热负荷相对应。包括：各空调分区内地源热泵机组从循环水中的吸热量（空调热负荷，并扣除机组压缩机耗功）、循环水在输送过程中失去的热量并扣除水泵释放到循环水中的热量。将上述前两项热量相加并扣除第三项就可得到供热工况下循环水的总吸热量。即：

最大吸热量=σ[空调分区热负荷×(11/cop)]+σ输送过程失热量σ水泵释热量（2）

查阅被选用的热泵机组的样册，统计出夏季空调运行所需要的机组制冷量之和q 冷以及冬季采暖运行所需要的机组吸热量之和q 热，查出机组制冷运行和制热运行的能效系数eer 和cop。

根据公式（1）和（2）可以得出最大释热量为2239kw，最大吸热量为1233kw。

2.4.2 换热井数的确定

（2）

其中：q 为最大释热量或最大吸热量，q 为夏季或冬季单井换热能力，h 为单井井深。