劉權(quán)熠 扈光霞

1 中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

2 北京華清榮昊新能源開發(fā)有限責(zé)任公司

地源熱泵由于利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源作為冷熱源進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換而制冷供熱，環(huán)境效益顯著，且其裝置的運(yùn)行沒有任何污染，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，維護(hù)費(fèi)用低，已經(jīng)越來(lái)越多地被運(yùn)用到生活當(dāng)中。傳統(tǒng)的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是不需要冷卻塔換熱，其地下地埋管承擔(dān)了換熱功能，由于地埋管所需要的埋管占地面積大，經(jīng)常超過(guò)建筑本身的占地面積，建筑物越高，建筑面積越大，地埋管所需埋管占地面積越大，因此限制了其使用。本文結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際情況，提出基于冷卻塔輔助換熱的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，以期為以后的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 項(xiàng)目概況

該工程位于山東省泰安市，總建筑面積約26285.42 m2，其中，裙樓無(wú)地下室，地上共2 層，為辦公區(qū)，建筑面積約5279.1 m2，主樓地下2 層，負(fù)一層為地下車庫(kù)，負(fù)二層為地下車庫(kù)加空調(diào)主機(jī)及設(shè)備用房，地上共 6 層，其中，1-2 樓為商業(yè)區(qū)，3-6 樓為辦公區(qū)，建筑面積約21006.32 m2。

該工程集辦公、商業(yè)為一體的，各區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間有所區(qū)別。其中，商業(yè)區(qū)域的空調(diào)系統(tǒng)從早上8:00 至晚上23:00 均有需求。而辦公區(qū)域僅在周一至周五的工作時(shí)間（9:00-18:00）有集中空調(diào)需求，但經(jīng)常有人加班，甚至周末都有零散的空調(diào)需求。為方便工作人員能夠隨時(shí)獨(dú)立，靈活地運(yùn)行和使用空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)于辦公區(qū)域，采用多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，配置獨(dú)立的新風(fēng)系統(tǒng)。而對(duì)于商業(yè)區(qū)域，綜合考慮則采用地源熱泵+冷卻塔輔助換熱空調(diào)系統(tǒng)，本文重點(diǎn)介紹商業(yè)區(qū)域的地源熱泵+冷卻塔輔助換熱空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

2.1 空調(diào)室內(nèi)、外設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012）以及山東泰安的氣候參數(shù)、逐時(shí)干球溫度和日平均干球溫度，確定室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)[1]，如表1、表2。

表1 室外設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 全年動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

利用HDY-SMAD 4.0 空調(diào)負(fù)荷計(jì)算軟件，對(duì)該工程進(jìn)行全年8760 h 動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷模擬計(jì)算。裙樓、主樓的空調(diào)全年動(dòng)態(tài)逐時(shí)負(fù)荷曲線見圖 1、圖 2，分系統(tǒng)的空調(diào)最大冷負(fù)荷、熱負(fù)荷見表3。由全年動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算可知，建筑中出現(xiàn)空調(diào)滿負(fù)荷的比例極低，大部分時(shí)間內(nèi)，空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷低于最大負(fù)荷的 50%，因此在配置空調(diào)冷熱源時(shí)，需充分考慮冷熱負(fù)荷的全年分布狀況和全年冷熱不平衡問(wèn)題。

圖1 裙樓全年8760 h 動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷曲線圖

圖2 主樓全年8760 h 動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷曲線圖

表3 系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷

3 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 地源熱泵主機(jī)選型

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果可知，建筑主樓+裙樓辦公區(qū)域空調(diào)總冷負(fù)荷為2655 kW，總熱負(fù)荷為1735 kW。通過(guò)對(duì)比各地源熱泵主機(jī)廠家機(jī)組參數(shù)選型可得，該項(xiàng)目共選用某品牌3 臺(tái)制冷量/制熱量為 975 kW/954.3 kW 的螺桿式地源熱泵冷熱水機(jī)組，夏季空調(diào)供回水溫度7/12 ℃，冬季空調(diào)供回水溫度45/40 ℃，冷卻水系統(tǒng)采用垂直地埋管土壤換熱系統(tǒng)[2]。由于該工程夏季制冷量需求大，考慮到地埋管占地面積及土壤熱平衡等問(wèn)題，本文引入了冷卻塔輔助換熱系統(tǒng)，以排除夏季冷卻水中多余的熱量，地源熱泵+冷卻塔輔助換熱空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖3 所示。

圖3 地源熱泵+冷卻塔輔助換熱空調(diào)系統(tǒng)原理圖

3.2 巖土熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)及冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目工程總包方委托第三方專業(yè)公司對(duì)項(xiàng)目區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘察，并進(jìn)行了巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)。測(cè)試報(bào)告顯示，本項(xiàng)目所在地土層自上而下分為：1）0～-10 m，泥土層，黃色。2）-10～-105 m，細(xì)沙層+粗砂層，黃黑色。場(chǎng)地周圍地層的原始地溫為17.42 ℃。雙U 型DN25 地埋管冬季單位井深換熱量為 49.1 W/m，雙 U型DN25 地埋管夏季單位井深換熱量為64.2 W/m。

本項(xiàng)目地源熱泵空調(diào)冷卻水系統(tǒng)采用地埋管換熱系統(tǒng)為主，冷卻塔換熱為輔的組合換熱方式。為了保險(xiǎn)起見，在地埋管側(cè)、冷卻塔側(cè)均單獨(dú)設(shè)置水泵，采用變頻控制，可根據(jù)建筑負(fù)荷變化進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，以節(jié)省運(yùn)行電耗。地埋管側(cè)、冷卻塔側(cè)均設(shè)冷熱量計(jì)量裝置，以監(jiān)控地埋管全年總釋熱量與總吸熱量是否相平衡。冷卻塔通過(guò)板式換熱器與地埋管側(cè)冷卻水系統(tǒng)間接連接，以方便冷卻水系統(tǒng)單獨(dú)定壓。同時(shí)，將地埋管側(cè)、冷卻塔側(cè)水系統(tǒng)分隔開，防止冷卻塔中換熱的冷卻水影響地埋管換熱管內(nèi)的水質(zhì)。

3.3 冷凍水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中，綜合考慮空調(diào)冷凍水系統(tǒng)采用閉式循環(huán)兩管制變流量一級(jí)泵系統(tǒng)（空調(diào)主機(jī)定流量運(yùn)行，末端變流量），可根據(jù)末端負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)主機(jī)開啟臺(tái)數(shù)。供、回水總管間設(shè)壓差旁通閥組，可根據(jù)供、回水總管間的壓差變化自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入末端系統(tǒng)的水量。冷凍水通過(guò)分（集）水器分為二路，分別供主樓和裙樓使用，每一路冷凍水總管上均設(shè)冷熱量計(jì)量裝置，以便于分別計(jì)量主樓和裙樓的空調(diào)系統(tǒng)使用情況，方便分戶收費(fèi)。空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組的水系統(tǒng)采用兩管制同程式，空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組的回水管上均設(shè)置動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。水系統(tǒng)的定壓均采用定壓補(bǔ)水真空脫氣機(jī)組。

3.4 土壤換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由參考文獻(xiàn)[3]可知，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，垂直埋管由于埋管深度較深，土壤溫度相對(duì)恒定，?。ㄉⅲ崮芰^強(qiáng)，可以達(dá)到淺層土壤埋管方式的5 倍以上。本項(xiàng)目工程建筑單體周邊的草地、公共綠化帶、園區(qū)道路下方均可供地埋管使用。為了獲取穩(wěn)定高效的換熱效果，以及盡量減少地埋管的占地面積，本項(xiàng)目采用垂直地埋管土壤換熱器。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范并結(jié)合區(qū)域內(nèi)相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)埋管間距為5 m×5 m，采用雙 U 型地埋管土壤換熱器，鉆孔直徑φ=150 mm。地埋管管材采用高密度HDPE100 型 De25×2.3 雙 U 型，有效深度為 100 m。根據(jù)上文中空調(diào)冷熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，以冬季需要的供熱負(fù)荷作為地埋管換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算出夏季對(duì)于的換熱量，這些多余的換熱量則通過(guò)冷卻塔進(jìn)行輔助換熱，以滿足夏季空調(diào)的制冷效果及土壤的熱平衡要求。

計(jì)算可知，地埋管冬季最大吸熱量為 1735×(1-1/COP)=1380 kW，地埋管管群附加系數(shù)取0.9，同時(shí)考慮一定的安全裕量，可計(jì)算得出，該工程設(shè)計(jì)地埋管打井?dāng)?shù)量為360 口，地埋管換熱系統(tǒng)所需占地面積約為9000 m2。

制冷機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)地源側(cè)總分集水器，室外設(shè)5 套二級(jí)分、集水器（設(shè)檢查井），每套連接72 個(gè)孔。每9 個(gè)孔采用同程式連接，水平橫管埋管于地下 2.0 m 以下，二級(jí)分、集水器的主管通過(guò)水平埋管接至地下室制冷機(jī)房。地埋管換熱系統(tǒng)工作溫度如下：夏季制冷工況下，供/回水溫度為 32/37 ℃。冬季制熱工況下，供/回水溫度為10/5 ℃。地埋管管道平面布置圖如圖4 所示。

圖4 地埋管管道平面布置圖

3.5 冷卻塔選型設(shè)計(jì)

由于本項(xiàng)目以冬季需要的供熱負(fù)荷作為地埋管換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算出夏季對(duì)于的換熱量，這些多余的換熱量則通過(guò)冷卻塔進(jìn)行輔助換熱，同時(shí)也應(yīng)滿足土壤的熱平衡要求。本項(xiàng)目經(jīng)換熱量計(jì)算及參照廠家選型，采用某品牌型號(hào)為BY-150T/R 的開式機(jī)械循環(huán)型超低噪聲橫流冷卻塔兩臺(tái)，兩臺(tái)冷卻塔均放置在裙樓的屋頂，采用變頻風(fēng)機(jī)節(jié)能降耗，冷卻水供/回水溫度設(shè)計(jì)為30/35 ℃。

當(dāng)熱泵機(jī)組的進(jìn)口水溫超過(guò)某一設(shè)定值時(shí)，開啟冷卻塔輔助換熱，初始的溫度設(shè)定值取 32 ℃。由上文可知，我們?cè)诘芈窆軅?cè)、冷卻塔側(cè)的冷卻水主管上設(shè)置了冷熱量計(jì)量裝置。隨著地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，管理人員可以根據(jù)往年累積在土壤中的散熱量（或取熱量）數(shù)據(jù)，逐年調(diào)整此溫度設(shè)定值，以期能夠更好地保持土壤中的熱平衡。當(dāng)累年在土壤中的散熱量大于累年從土壤中的取熱量時(shí)，可降低此溫度設(shè)定值。反之，則應(yīng)調(diào)高此溫度設(shè)定值。

4 結(jié)論

本文結(jié)合工程實(shí)踐，從空調(diào)系統(tǒng)形式選擇、空調(diào)負(fù)荷計(jì)算、熱泵主機(jī)選型、冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)冷卻塔選型及運(yùn)行策略等幾個(gè)方面，簡(jiǎn)要介紹了地源熱泵+冷卻塔輔助散熱空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)辦公樓的人員逐時(shí)在室率等條件，對(duì)圖書館進(jìn)行了全年8760h 動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算，并分析了該辦公大樓空調(diào)負(fù)荷的特點(diǎn)，得出以下結(jié)論。

1）垂直埋管由于埋管深度較深，土壤溫度相對(duì)恒定，?。ㄉⅲ崮芰^強(qiáng)，可以達(dá)到淺層土壤埋管方式的5 倍以上。為了獲取穩(wěn)定高效的換熱效果，以及盡量減少地埋管的占地面積，建議在地源熱泵換熱器的形式選取上，采用垂直地埋管土壤換熱器。

2）為保持土壤中的熱平衡，對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)，夏季制冷需求量相對(duì)冬季供熱需求量較大時(shí)，必須設(shè)置冷卻塔輔助換熱系統(tǒng)，以排除熱泵機(jī)組夏季多余的熱量。

3）地源熱泵+冷卻塔輔助散熱空調(diào)系統(tǒng)中，當(dāng)熱泵機(jī)組的進(jìn)口水溫超過(guò)某一設(shè)定值（建議初始的溫度設(shè)定值取32 ℃）時(shí)，開啟冷卻塔進(jìn)行輔助換熱，并通過(guò)分析冷熱量計(jì)量裝置記錄的往年累積在土壤中的散熱量（或取熱量）數(shù)據(jù)，逐年調(diào)整此溫度設(shè)定值。