徐州某別墅地源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計

高喜玲　商利斌　相里梅琴

摘 要：文章以徐州某別墅為例，從空調(diào)設(shè)備選型、地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計、地板輻射采暖系統(tǒng)設(shè)計等方面介紹了地源熱泵系統(tǒng)在別墅項目中的應(yīng)用，以期為該地區(qū)類似項目提供參考價值。

關(guān)鍵詞：別墅；地源熱泵；地埋管換熱系統(tǒng)；地板輻射采暖系統(tǒng)

中圖分類號：TK529 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）25-0103-03

引言

隨著我國地源熱泵技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)逐步認(rèn)識這種新型、環(huán)保、節(jié)能的系統(tǒng)，能充分利用蘊(yùn)藏于土壤中的能源，不但可以實現(xiàn)制冷、制熱，給建筑創(chuàng)造溫暖舒適的環(huán)境，還因其不向外界排放廢水、廢氣、廢渣，而被認(rèn)為是一種最理想的“綠色空調(diào)”。目前正逐步推廣應(yīng)用到商業(yè)、辦公、住宅等建設(shè)項目中。

1 空調(diào)設(shè)備選擇

1.1 室外主機(jī)選型

該空調(diào)工程位于徐州某別墅區(qū)，地下室一層，地上三層，空調(diào)面積約為158m2，主要由客房、客廳、臥室等房間組成。設(shè)計采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，冬、夏季采用與土壤換熱的方式進(jìn)行制熱或制冷，冬季氣溫過低時開啟輔助電加熱進(jìn)行補(bǔ)充。

室外機(jī)組使用特靈三聯(lián)供機(jī)組：HWWD25地源熱泵機(jī)組，供空調(diào)和地板采暖系統(tǒng)，其制冷量為26kW，室內(nèi)設(shè)計總冷負(fù)荷約為33.35kW，系統(tǒng)同時使用系數(shù)為70%，設(shè)計采用節(jié)能環(huán)保的地源熱泵系統(tǒng)，主機(jī)相關(guān)參數(shù)見表1。

1.2 風(fēng)機(jī)盤管選擇

房間空調(diào)末端采用臥式暗裝風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組，風(fēng)機(jī)盤管的選型是在考慮了房間的風(fēng)量、冷量、機(jī)外余壓和噪聲等要求后，初步確定其型號與規(guī)格，本工程選擇了特靈風(fēng)機(jī)盤管，如表2所示。

2 地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計

2.1 地質(zhì)材料分析

本工程位于徐州，根據(jù)對周邊建筑物的地質(zhì)勘探，徐州地區(qū)80m土壤垂直分布基本上可劃分為4層：粘土層、淤泥層、粉質(zhì)粘土層和粉沙層。該地區(qū)土層較軟且厚度大，濕度以濕、飽和為主，含水層主要為第四系孔隙承壓水層，如在粉砂、礫砂，中砂層，水質(zhì)為淡水。本區(qū)域土壤傳導(dǎo)率為5.5W/m左右。

（1）本工程空調(diào)冷負(fù)荷33.35kW；

（2）本工程地下?lián)Q熱器設(shè)計夏季制冷進(jìn)出水為30/35℃，冬季制熱進(jìn)出水為15/10℃；采用豎直地埋管單U形式。

2.2 地埋管計算步驟

2.2.1 確定地下?lián)Q熱器的埋管形式

豎直埋管和水平埋管是地源熱泵系統(tǒng)常用的兩種地下埋管形式，挖掘成本、土壤類別、場地大小等都會影響到埋管形式的選擇。水平埋管的特點(diǎn)主要是埋深較淺，施工時占用的場地較大，如果施工場地足夠大且無堅硬巖石，選擇水平埋管形式較經(jīng)濟(jì)。垂直埋管的特點(diǎn)主要是節(jié)約用地面積，因此適用于場地面積有限或有堅硬巖石的地區(qū)，且垂直埋管的換熱性能比水平埋管要高，所以一般會優(yōu)先考慮采用垂直埋管的形式。垂直埋管常用的方式有U型、套管型、單管型三種，其中以單U型管的應(yīng)用最為常見，本工程設(shè)計采用單U型管地下?lián)Q熱器。

2.2.2 確定管路連接方式

地下?lián)Q熱器的管路連接方式分為串聯(lián)和并聯(lián)，串聯(lián)系統(tǒng)只有一個流體通道，萬一管路發(fā)生損壞將影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行，而并聯(lián)系統(tǒng)中流體在管路中至少有兩個通道，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。采用串聯(lián)或并聯(lián)主要還是取決于安裝成本的大小。串聯(lián)系統(tǒng)所需管道管徑較大，大管徑管道單價也高，安裝的勞動力成本也較大；并聯(lián)系統(tǒng)管徑較小，單價相對較低，且布置成同程式有利于并聯(lián)環(huán)路之間的壓力平衡，故本工程的地下?lián)Q熱器采用U型管并聯(lián)同程式系統(tǒng)。

2.2.3 選擇管材

地源熱泵的室外管道部分的作用主要是從土壤中吸取熱量并傳給機(jī)組的土壤換熱器環(huán)路，一旦將換熱器埋入地下，就很難維修或更換，這就要求埋入地下的管材化學(xué)穩(wěn)定性更強(qiáng)并耐腐蝕。目前常用的是聚乙烯（PE）管材，PE為惰性材料，除極少數(shù)強(qiáng)氧化劑外，可耐多種化學(xué)介質(zhì)的侵蝕；采用電熱熔連接，其接口強(qiáng)度高于管材本體，無泄露；PE管斷裂伸長率一般超過500%，對管基不均勻沉降的適應(yīng)能力非常強(qiáng)，抗震性能優(yōu)良，高韌性。本設(shè)計選取聚乙烯（PE）管，管徑選取De32 mm。

2.2.4 確定豎井埋管管長

豎直埋管的長度應(yīng)根據(jù)工程的地質(zhì)情況（如地下溫度、傳熱系數(shù)等）、場地大小及使用的鉆機(jī)性能等情況綜合考慮。在實際工程中，可以利用管材“換熱能力”來計算管長。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長的換熱量，一般垂直埋管為50～80W/m（井深），或25～40W/m（管長），水平埋管為20～40W/m（管長）左右。

設(shè)計時可根據(jù)徐州地區(qū)來確定：一般井深取75～90m之間。

2.2.5 確定豎井?dāng)?shù)目

豎井間距：工程較小，埋管單排布置，地源熱泵間歇運(yùn)行，埋管間距可取4.5m；若連續(xù)運(yùn)行（或停機(jī)時間較少）建議取5～6m，本工程管間距取4.5m。

室外地埋管設(shè)計如圖3所示。

3 地板輻射采暖系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計選用回轉(zhuǎn)型地板輻射形式，選擇聚乙烯管材（PEX-A），De16，埋管間距150mm，采用濕式安裝法，使混凝土層熱量分布均勻，減少出現(xiàn)局部過熱或過冷的情況。

本工程選用了一臺三位一體機(jī)組HWWD25進(jìn)行建筑物的制冷、制熱及制取生活熱水。由于地源熱泵系統(tǒng)利用淺層地能制造低溫?zé)崴?，其出水溫度一般?0℃左右，而地板輻射采暖所需水溫也與此溫度接近，因此地源熱泵技術(shù)與低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)可以聯(lián)合運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能的目的。

夏季：可設(shè)置一個儲熱水箱，利用空調(diào)制冷產(chǎn)生的熱量將水箱的水加熱后作為生活熱水，一般情況下空調(diào)連續(xù)運(yùn)行4小時，就可以把一個400L水箱的水從10℃加熱到50℃。

冬季：空調(diào)采暖生活熱水三位一體熱泵機(jī)組可以實現(xiàn)在制取低溫?zé)崴耐瑫r，提供地板輻射采暖所需的低溫?zé)崴?，不增大設(shè)備，也不需追加投資，而且兩個系統(tǒng)各自獨(dú)立，不會造成交叉污染。熱泵機(jī)組將地下的熱量不斷轉(zhuǎn)移至室內(nèi)的過程中，以35℃以上熱風(fēng)的形式向室內(nèi)供暖，為房間創(chuàng)造舒適的生活環(huán)境。

地板輻射采暖系統(tǒng)設(shè)計如圖4所示。

4 結(jié)束語

本文通過對地源熱泵系統(tǒng)在別墅項目中的應(yīng)用，分析了其設(shè)備選型及方案設(shè)計過程。地源熱泵系統(tǒng)因減少污染排放，提高城市環(huán)境質(zhì)量，緩解能源緊張問題等優(yōu)勢，也得到了國家政策的支持。因此，隨著地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計、施工、運(yùn)行等各方面的逐步完善，將會給人們提供更加舒適的居住環(huán)境。

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