南方地區(qū)小型地源熱泵工程方案探討與優(yōu)化

■楊偉杰，楊正玉，楊春杰，權(quán)芹鋼

■1.四川環(huán)宇建筑設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610000;2.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 鎮(zhèn)江 212001

地源熱泵工程設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)方面，設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系著工程的運(yùn)行情況，目前地源熱泵的推廣工作主要是設(shè)備商，地源熱泵設(shè)計(jì)往往僅考慮建筑物規(guī)模、性質(zhì)等，對地質(zhì)情況往往不清楚，造成很多工程應(yīng)用不合理，甚至造成地質(zhì)環(huán)境破壞。地源熱泵推廣的另一個(gè)特點(diǎn)是初投資較大，需要進(jìn)行部分鉆孔施工，室外工程費(fèi)用占據(jù)整個(gè)工程的1/3 左右，回收期較長，阻礙了地源熱泵的推廣。本文通過對地質(zhì)條件研究及建筑物特點(diǎn)通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，保證了工程的運(yùn)行效果，減少了初投資。

1 工程概況

本工程位于江蘇省句容市，建筑物為一小型單體建筑，空調(diào)面積約為440 平方米，地下一層，地上兩層。根據(jù)甲方要求及區(qū)域氣象特點(diǎn)，夏季空調(diào)制冷期約為120 天，冬季供暖期約為90 天，全年提供生活熱水，冬季采用低溫?zé)崴匕遢椛涔┡?/p>

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 工作思路

設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括地源熱泵主機(jī)房設(shè)備、室外地埋管換熱器以及室內(nèi)空調(diào)末端三個(gè)主要部分。

(1)地源熱泵主機(jī)房設(shè)備主要為帶熱回收地源熱泵機(jī)組。熱泵機(jī)組通過水路切換閥完成冬夏切換，通過溫度控制系統(tǒng)來控制循環(huán)水的溫度，達(dá)到室內(nèi)的溫度和濕度的要求，同時(shí)可以通過調(diào)整生活熱水用量，使計(jì)算周期內(nèi)，地源熱泵系統(tǒng)夏季總釋熱量與冬季總吸熱量相平衡。

①冬季空調(diào)側(cè)進(jìn)出水溫度為40/45℃，地埋管換熱器側(cè)進(jìn)出水溫度為10/5℃;②夏季空調(diào)側(cè)進(jìn)出水溫度為12/7℃，地埋管換熱器側(cè)進(jìn)出水溫度為25/30℃;③生活熱水進(jìn)出水溫度為40/55℃。

克萊門特地源熱泵機(jī)組是國際知名品牌，該機(jī)組質(zhì)量可靠、運(yùn)行穩(wěn)定、控制操作簡單、并且該機(jī)組配設(shè)保護(hù)報(bào)警功能和故障處理能等。

本次選用的是克萊門特新型多功能機(jī)組，具有制冷、供暖、四季熱水等功能，通過熱回收提供生活熱水。其機(jī)組集成度高，空調(diào)側(cè)和地源側(cè)水泵、生活熱水水泵均已集成在機(jī)組內(nèi)，用戶無需單獨(dú)配置水泵。

(2)室外換熱器:首先根據(jù)建筑物面積、使用性質(zhì)等因素，對整個(gè)系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行初步估算;選擇熱泵機(jī)組的型號、規(guī)格;根據(jù)建筑物地層換熱能力來確定埋管的深度和數(shù)量。根據(jù)規(guī)范要求，本項(xiàng)目為小型建筑物，不需要專門進(jìn)行現(xiàn)場熱交換試驗(yàn)，每延米換熱量等設(shè)計(jì)參數(shù)可通過規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)及區(qū)域淺層地?zé)嵩u價(jià)等資料獲得。冬季熱泵系統(tǒng)通過地埋管換熱器從地下提取熱量，夏季釋放熱量。管材采用的是高密度聚乙烯管，一般采用雙U 型地埋管方式，進(jìn)行鉆探、試壓、填料等程序，通過水平連接管匯集后接入機(jī)房。

(3)室內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)形式:風(fēng)機(jī)盤管+低溫?zé)崴匕遢椛涔┡?新風(fēng)換氣系統(tǒng)+生活熱水系統(tǒng)。

地上兩層:利用風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行室內(nèi)制冷，利用地板輻射對室內(nèi)進(jìn)行供暖。地下一層:利用風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行室內(nèi)制冷，利用地板輻射對室內(nèi)進(jìn)行供暖;利用新風(fēng)換氣機(jī)組對地下室空氣濕度及空氣質(zhì)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 設(shè)計(jì)方案

方案階段，根據(jù)建筑物特點(diǎn)進(jìn)行負(fù)荷估算:冬季熱負(fù)荷指標(biāo)約60W/m2，估算熱負(fù)荷26.148kW;夏季冷負(fù)荷指標(biāo)約80W/m2，估算冷負(fù)荷34.864kW。

地源熱泵機(jī)組:機(jī)房配置克萊門特AQSW DHW0091 熱泵機(jī)組42.8/39(kW);空調(diào)冷熱水循環(huán)泵組:選用熱泵機(jī)組內(nèi)置有3 臺AQSW DHW0101 熱泵機(jī)組內(nèi)置水泵。本工程機(jī)房設(shè)備配電容量為13.5KW。

垂直鉆孔數(shù)量的確定:冬季地埋管換熱孔的延米換熱量暫按50W/m 計(jì)算，夏季地埋管換熱孔的延米換熱量暫按55W/m 計(jì)算。根據(jù)以上數(shù)據(jù)及機(jī)組吸/排熱量，計(jì)算出在冬季工況下?lián)Q熱孔延米數(shù)為761m，夏季工況下延米數(shù)為936m。從以上計(jì)算可以看出，應(yīng)以夏季工況設(shè)計(jì)地埋管數(shù)量，單孔深設(shè)計(jì)100m，則需要換熱孔數(shù)10 個(gè)。

換熱孔直徑不小于152mm，孔間距不小于5.0 米進(jìn)行布置，水平連接管埋設(shè)在別墅周邊空地下面，距地面1.6 米以下，不影響地面美觀及使用;換熱管按雙U 型布置。填料采用含有水泥、砂子的混合物。

室內(nèi)地板采暖方案:地下一層空調(diào)面積100m2，熱負(fù)荷6000w，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度20 度，取供回水溫度40/45℃，每米管長散熱量26.54w/m2，管長226m，校正值為428m。

一層空調(diào)面積168m2，熱負(fù)荷10080w，度20 度，取供回水溫度40/45℃，每米管長散熱量26.54w/m2，管長379.8m，校正值806m。

二層空調(diào)面積168m2，熱負(fù)荷10080w，度20 度，取供回水溫度40/45℃，每米管長散熱量26.54w/m2，管長379.8m，校正值806m。

3 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

(1)根據(jù)場地地質(zhì)情況，場地地層為黃土層，厚度約12 米，下覆基巖為強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化砂巖。通過區(qū)域淺層地溫能調(diào)查資料，冬季地埋管換熱孔的延米換熱量為58W/m 計(jì)算，夏季地埋管換熱孔的延米換熱量為65W/m 計(jì)算。區(qū)域上地表水豐富，地下水主要為基巖裂隙水。地下水較為豐富，附近單井涌水量可達(dá)540m3/天。場地基巖的導(dǎo)熱率可達(dá)2.59w/(m·℃)，換熱效率較好，豐富的地下水條件，成為能量交換和儲存的重要通道。

(2)根據(jù)建筑物特點(diǎn)，需要進(jìn)行地下室的修建，基礎(chǔ)標(biāo)高在-3.5米，可以在基礎(chǔ)開挖過程中在地下室部分進(jìn)行水平管的鋪設(shè)，減少鉆孔數(shù)量。

地下室底板下采用水平埋管的形式，埋管長度大約300m。地下周圍肥槽采用水平螺旋埋管，肥槽長度54m，埋管長度大約600m。

水平埋管夏季換熱量經(jīng)計(jì)算可以達(dá)到10740w;冬季換熱量8970W。

根據(jù)以上水平埋管換熱量及機(jī)組吸/排熱量，計(jì)算出在冬季工況下?lián)Q熱孔延米數(shù)為444m，夏季工況下延米數(shù)為539m。從以上計(jì)算可以看出，應(yīng)以夏季工況設(shè)計(jì)地埋管數(shù)量，單孔深設(shè)計(jì)100m，則需要換熱孔數(shù)6 個(gè)。

4 投資分析與運(yùn)行費(fèi)

原方案投資包括機(jī)房設(shè)備12.35 萬元，末端工程10.32 萬元，室外工程11.2 萬元，其余設(shè)計(jì)費(fèi)、管理費(fèi)、稅金等2.4 萬，總投資36.27 萬元。通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，減少室外工程4 個(gè)鉆孔，鉆孔費(fèi)用減少3.6 萬元。

運(yùn)行費(fèi)用分析計(jì)算假定，能效比cop=制冷/熱量與輸入功率的比值為0.65;每年制冷4 個(gè)月120 天，平均每天工作16 小時(shí)共計(jì)1920 小時(shí);每年制熱3 個(gè)月90 天，平均每天工作16 小時(shí)共計(jì)1440 小時(shí);約定電價(jià)單價(jià)為0.50 元計(jì)算;約定天然氣價(jià)格2.05 元/m3

(1)地源熱泵系統(tǒng)設(shè)備能耗

總冷負(fù)荷量:25KW 總熱負(fù)荷:15KW

制冷:13.5x1920 ×0.50 ×0.65=8164(元)

制熱:13.5x1440 ×0.50 ×0.65=6318(元)

因此地源熱泵全年運(yùn)行費(fèi)用:14482 元。

風(fēng)冷熱泵中央空調(diào)方案+燃?xì)獠膳\(yùn)行費(fèi)用:

傳統(tǒng)風(fēng)冷+燃?xì)庀到y(tǒng)系統(tǒng)設(shè)備能耗總冷負(fù)荷量:25KW;總熱負(fù)荷:15KW;天然氣:4.80m3/h;設(shè)備耗電:0.5KW。制冷費(fèi)用為13942(元);制熱:12351(元)。

因此風(fēng)冷+燃?xì)庀到y(tǒng)的全年運(yùn)行費(fèi)用是26293 元。

5 結(jié)論語

(1)本設(shè)計(jì)通過對場地區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)資料的分析，對地層每延米換熱量進(jìn)行了校正和分析，使設(shè)計(jì)計(jì)算更加合理。

(2)根據(jù)建筑物特點(diǎn)增設(shè)水平埋管，減少鉆孔數(shù)量，減少初投資10%左右。

(3)南方地表水水系較為豐富，很多水塘面積較大，深度較大，具體一些工程可以通過地表水式和埋管式相結(jié)合的方式，在達(dá)到工程設(shè)計(jì)的同時(shí)，減少初投資。

(4)通過投資及運(yùn)行費(fèi)分析，系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，年運(yùn)行費(fèi)可節(jié)約11811 元。

［1］《地源熱泵工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50366 -2005).

［2］陳科，譚慶收.別墅地緣熱泵設(shè)計(jì)與案例分析［J］.中國建設(shè)細(xì)細(xì)供冷制熱，2008.

［3］張素云.水平埋管換熱器地源熱泵實(shí)驗(yàn)研究［D］.重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2001.

［4］《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50736 -2012).

［5］陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊，(第二版).