地源热泵节能案例设计分析

摘要：建筑能耗在全社会总能耗的比例超过三成，建筑节能理念在整个建筑工程施工过程中势必得到深入贯彻，本文将论述地源热泵系统的应用原理，并通过实例解读地源热泵项目的具体设计方法，对建筑节能产生深远意义。

关键词：地源热泵；建筑节能；案例设计

建筑节能，是指民用建筑在规划、设计、建造和使用过程中，通过采用新型的节能电力电气设备和新型墙体材料，执行建筑节能标准，加强建筑物用能设备的运行管理，合理设计建筑围护结构的热工性能，提高采暖、制冷、照明、通风、给排水和通道等电力电气设备系统的运行效率，以及利用可再生能源，在保证建筑物使用功能和室内热环境质量的前提下，降低建筑能源消耗，合理、有效地利用能源的活动。

中国目前处于建设鼎盛期，每年建成的房屋面积高达16亿～20亿m2，超过所有发达国家年建成建筑面积的总和，而95%以上是高耗能建筑。以此推算，预计到2020年，全国高耗能建筑面积将达到720亿m2。因此，如果现在不开始注重建筑节能设计，将直接加剧能源危机。

建筑节能服务已引起国家的高度重视，按照中国建筑节能“十一五”规划目标，到2010年全国建筑节能目标为实现节约标准煤1.01亿t，减少CO2气体排放4亿多t；建设节能建筑的总面积累计要超过21.46亿m2，其中，新建建筑达到15.92亿m2，既有建筑改造达到5.54亿m2。每年城乡新建建筑竣工面积约为15亿～20亿m2，据调查，一般公共建筑的单位能耗为20～60kW•h电，是城镇住宅的2倍；大型公共建筑的单位能耗为70～300kW•h，是城镇住宅的10～20倍。新建建筑严格执行建筑节能设计标准，逐步推行既有建筑节能改造，预计到2020年，每年可节约4200亿度电和2.6亿t标煤，减少CO2等温室气体排放量8.46亿t。据建设部统计，建筑的能耗(包括建造能耗、生活能耗、采暖空调等)约占全社会总能耗的30%，其中最主要的是采暖和空调，占到20%。而这30%仅仅是建筑物在建造和使用过程中消耗的能源比例，如果再加上建材生产过程中耗掉能源(占全社会总能耗16.7%)，和建筑相关的能耗将占到社会总能耗的46.7%。中国建筑能耗总量正呈逐年上升趋势，在能源总消费量中所占的比例从20世纪70年代末的10%已上升到近年的接近30%，因此，建筑节能对于能源的节约利用意义十分重大。

一、GSHP系统原理分析

地表浅层(可称之为地表能)像一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能，比人类每年利用能量的500倍还多。这种近乎无限、不受地域、资源限制的热能，是人类可以利用的清洁可再生能源。并且地表能不像太阳能受气候的影响，也不像深层地热能受资源和地质结构的限制。地源热泵系统(Ground-SourceHeatPump，简称GSHP)随全球能源危机和环境问题出现，逐渐兴起的一项节能环保技术。地源热泵系统以地表能为热源，通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现低品位热能向高品位热能转移的热泵系统。地源热泵系统冬季供暖时，把地表中的热量“取”出来，供给室内采暖，同时向地下蓄存冷量，以备夏用；夏季制冷时，把室内热量取出来，释放到地表中，向地下蓄存热量，以备冬用。由于地源热泵系统不存在对大气排热、排冷的热污染和排烟、排尘、排水等污染，因此是真正的绿色能源(GreenEnergy)。开展地源热泵系统的研究具有较高的理论意义、实用价值和社会及环保效益。

地源热泵系统是指以土壤或地下水、地表水为低温热源，由水源热泵机组、地能采集系统、室内系统和控制系统组成的供热空调系统。根据地能采集系统形式不同，地源热泵系统分地埋管、地下水和地表水3种形式。图1为典型的地源热泵系统基本组成示意图。其中：（1）垂直埋管换热系统；（2）地源侧循环泵；（3）地源热泵机组；（4）负荷侧循环泵；（5）风机盘管系统；（6）高位膨胀水箱。

二、地源热泵系统项目案例分析

（一）工程设计概况

某办公楼，建筑面积约21000m2；空调面积约18000m2； 办公楼夏季总冷负荷为1620kW；冬季总热负荷为1296KW。遵循国家节能环保的可持续发展能源战略，决定采用土壤源热泵中央空调系统。

图1地源热泵系统运行原理图

本地区地下结构层属于冲积平原，地面以下分层情况较明显：0.0～2.46m为硬土层；2.5～18.6m为砂夹砾石层；18.0～55.2m为黏质土层；55.2～86.4m为粗砂层。

（二）水源热泵机组选择

根据地埋管系统的布置位置，决定选择地下停车库中的设备间作为水源热泵机组的布置机房。同时，水泵系统、分集水系统等附属部件均按照国家机房设计的相关标准，布置于机房。根据建筑空调总冷负荷1620kW，TWSF0480.2BG2型满液式水源螺杆热泵机组1台，机组在标准工况(制冷工况：地下埋管侧进、出水温度分别为30℃和25℃，用户侧进、出水温度分别为12℃和7℃；制热工况：地下埋管侧进水温度4℃和8℃，用户侧进、出水温度40℃和45℃)的制冷量为1665kW，输入功率264kW，COP为6.31；制热量为1775kW，输入功率358kW，COP为4.96。

（三）土壤埋管换热系统计算

根据土壤埋管系统与大地间换热计算公式：

Q´1 =Q1×（1+ ）=1665×（1+ ）=1929KW

Q´2 =Q1×（1+ ）=1775×（1+ ）=1417KW

其中：

Q´1为夏季土壤与地埋管之间的换热量，kW；

Q´2为冬季土壤与地埋管之间的换热量，kW；

Q1为机组在标准工况下的制冷量，kW；

Q2为机组在标准工况下的制热量，kW。

由于夏季换热量大于冬季换热量，因此，地埋管换热系统换热量按照1929kW进行设计。

1．确定管材及埋管管径

地埋管选用聚乙烯管材PE100，垂直埋管管径采用DN32×3.0。根据工程经验，地埋管系统可不使用防冻液，管内循环媒质仍为水。

2．确定竖井埋管管长

项目地区进行热物性响应实验。由于本地区冬季地埋管换热量比夏季换热量小约26.54%，因此，通过单工况地埋管换热实验即可进行地埋管换热系统的设计。具体的单工况土壤热响应试验设备示意图见图2。其中，（1）中央处理CPU；（2）进/出水温度探头；（3）流量计；（4）循环水泵；（5）储热水箱；（6）辅助电加热器；（7）垂直单U型热响应用地埋管。

实验依据，在相对较长的运行周期内，通过辅助电加热设备，保持储热水箱中的恒温状态；在保持输入温度和循环流量基本不变的情况下，获取地埋管出口温度，从而计算出该地区的土壤换热指标。表1为稳定运行72h，通过热响应测试，地埋管系统的平均单位换热指标参数值：因此，垂直单U型地埋管换热指标参数按照33.5W/m进行计算：

L= - =57582m

即垂直埋管总数量需求为57582m。

3．确定竖井数目及间距

根据地质结构报告，选取垂直埋管井深度80m，埋管井口直径130mm；则

图2 单工况土壤换热热响应实验装置

表1地埋管系统平均单位换热指标参数值

N= - ≈360，即垂直埋管井数量取360口。则总埋管量为：80m×2×360=57600m，满足埋管换热要求。埋管井间距按照4m的距离进行布置。埋管系统根据“非链条原则”进行设计，具体布置阵列分组按照10组作为独立模块单元组(A级阵列)，根据现场区域，总共分为36组，再通过分/集水器进行组合式联接。这样，每套系统既能够单独运行，彼此间不存在链条性影响；即使单井阵列发生故障，其他各组系统仍能够正常运行，确保系统的稳定性(见图3)。

图3 地埋管模块单元连接布置示意图

（四）经济性分析

将地源热泵系统与传统风冷热泵系统、冷水机组+燃气锅炉系统2种模式进行经济性比较，具体经济性分析见表2。

表2各系统运行经济性分析比较

通过以上图表我们可以看出，地源热泵系统初投资比风冷热泵系统、冷水机组+燃气锅炉系统分别高出20%和7.15%，但每年节约运行成本分别为49.4%和34.5%；综合费用拟合年限(高出部分投资回收年限)分别为2.19年和1.8年，今后每年节约运行费用约41万元和20万元，减少折合标媒量约180t和90t；相当于减少CO2的排放量约472t和236t，因此，在建筑中使用地源热泵系统，不仅具有极大的经济性价值，同时还具有重大环保、减排的社会意义。

三、结语

随着国家能源战略的调整，建筑节能将会是市场发展的重点关注问题。在建筑节能领域中，建筑设备节能，尤其是空调设备的节能，占有相当大的比例。地源热泵系统，从节能、减排、环保等各方面探究，均具有巨大的意义。地源热泵系统，在建筑节能领域，必将发挥越来越重大的作用。

参考文献

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[4]郑祖义．热泵空调系统的设计与创新[M]．华中理工大学出版社，1994．

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。