某大學實驗樓地源熱泵采暖系統(tǒng)設計
楊偉 ，張軍，楊琳琳，高珊
（遼寧工程技術大學建筑與工程學院，阜新市123000）

摘要：對某大學實驗樓采暖熱負荷按規(guī)范進行了詳細計算，計算結果小于估算值，原因在于新建建筑物采用了節(jié)能技術。對系統(tǒng)的實際運行費用進行了分析，與采用冬季集中供熱的采暖系統(tǒng)相比，在相同的熱負荷條件下，地源熱泵系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果。地源熱泵的應用還受多方面的影響,需要設計人員多積累多思考,將技術的可靠性、節(jié)能性和環(huán)保性有效地結合起來。
關鍵詞：地熱換熱器；供熱； 經(jīng)濟性分析； 節(jié)能    

Design of Ground-Source Heat Pump heating system for a University’s Lab Building

Yang Wei ，Zhang Jun，Yang Linlin，Gao Shan

(College of Architecture Engineering of Liao Ning Technical University, Fuxin City, 123000)

Abstract: The detailed calculation of a Ground-Source heat pump heating system for a university laboratory showing that it is less than estimated values, The reason is that the use of energy-saving technologies in new buildings. The actual operation cost is analyzed. Compared with central heating systems, ground-source heat pump system has a remarkable energy-saving effect to meet the same heat load. Application of ground-source heat pump there are still affected by many factors. It is necessary for designers to accumulate experience and think about the GSHP’s combination of reliability, energy-efficiency and environmental protection.
Keywords: geothermal heat exchanger; Heating; Economic Analysis; Energy Efficiency

1 引言
    在歐美，將地源熱泵系統(tǒng)用于建筑物的供熱和空調(diào)已是較成熟的技術[1]。近年來,由于我國對保護環(huán)境和節(jié)能的關注,地源熱泵技術已受到越來越多的重視。但實際應用的工程仍然較少，這主要是由于缺乏行之有效的設計方法。地源熱泵是利用土壤良好的儲熱/冷特性進行供熱空調(diào)的一種工程應用，在冬季供熱時，大地作為低溫熱源，熱泵系統(tǒng)利用預埋在地下的管道，通過循環(huán)介質吸收儲存在地下的熱能，由熱泵完成逆循環(huán)并向用戶提供熱量。驅動地源熱泵的主要是電能，除此之外，地源熱泵系統(tǒng)在運行工作過程中無需其他熱源或動力，是城市供熱的一種清潔能源。
地源熱泵供暖系統(tǒng)主要分三部分：室外地能換熱系統(tǒng)、熱泵機組和室內(nèi)采暖末端系統(tǒng)。其中熱泵機組主要有兩種形式：水一水式或水一空氣式。三個系統(tǒng)之間靠水或空氣作為循環(huán)換熱介質進行熱量的傳遞。

2 工程概況
   實驗樓位于東經(jīng)122°，北緯42°，為北溫帶大陸型季風氣候區(qū)，年平均氣溫為8.8℃。最冷月（1月）平均氣溫在-4.5～8℃之間。最熱月（8月）平均氣溫在24℃上下，平均相對濕度61％，最大相對濕度78％，最小相對濕度48％。平均凍土深度1.11米，最大凍土深度1.48米，最小凍土深度0.68米。
本建筑物是集教室、實驗室、多功能演示廳、模擬法庭、辦公等為一體的綜合大樓。占地面積4837.91m2，建筑面積27354.26m2，總高度是34.5m。主樓八層，地下室層高4.5m, 作為泵房和設備間兼有休息和娛樂區(qū)；一～四層層高是4.5m，為教學用房；五～八層層高是3.9m為實驗用房；附樓五層，層高是4.5m，教學用房。

3 設計計算參數(shù)
   室外氣象參數(shù)表見表1-1

   表1-1  室外氣象參數(shù)表

  
1) 室內(nèi)溫濕度：  冬季  t= 24  ℃          Ф≥ 40  %
2) 室內(nèi)人員數(shù)量：略
4) 照明和辦公設備：辦公室   10w/㎡     明裝熒光燈 
教室    40w/㎡      明裝熒光燈
5) 工作時間：       冬季  16小時
室內(nèi)溫度取值說明：為了滿足人體熱舒適的環(huán)境，有助于人的身心健康，提高學習工作效率取24℃，比規(guī)范最高值超6℃。

4 地源熱泵系統(tǒng)負荷計算
4、1 熱泵系統(tǒng)負荷計算[2~5]
    供暖系統(tǒng)設計熱負荷是供暖設計中最基本的數(shù)據(jù)，它直接影響供熱方案的選擇、供暖設備的容量以及供暖系統(tǒng)的使用效果和運行成本。建筑的供暖熱耗是由建筑物圍護結構傳熱耗熱、冷風滲透耗熱及建筑物內(nèi)部得熱三部分組成。按《采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》計算結果為875336.32W，設計熱指標為32W/㎡(1039462.77W /27354.26㎡=38W/㎡)。總熱負荷應包括用戶實際所需的供暖熱耗以及系統(tǒng)本身的損失。損失一般用附加值計算，對于直接供熱系統(tǒng)通常附加5%~7%。經(jīng)調(diào)整后的總熱負荷為（1039462.77W×1.06）1101831W。
建筑物的總供暖熱耗也可按建筑的類型和使用性質，采用單位面積熱指標法來估算總供暖熱耗。查文獻[5]，學校供暖設計熱指標為58～81W/㎡。由于本建筑采用了節(jié)能墻體等技術，實際計算結果低于推薦值
4、2、室內(nèi)末端系統(tǒng)設計
    辦建筑為高層建筑，需采用豎向分區(qū)熱水供暖，分區(qū)式熱水供暖系統(tǒng)的四種主要型式為設熱立換器的分區(qū)式系統(tǒng)、高雙水箱的分區(qū)式系統(tǒng)、設閥前壓力調(diào)節(jié)器的分區(qū)系統(tǒng)、設斷流器和阻旋器的分區(qū)式系統(tǒng)。本設計主樓采用設斷流器和阻旋器的分區(qū)式系統(tǒng)，分為一～四層、五～八層兩個區(qū)，附樓為一個區(qū)。
4、3、地源熱泵系統(tǒng)設計
    地熱換熱器的埋管方式主要有兩種形式 ，即豎直埋管和水平埋管[3]．選擇哪種方式主要取決于場地大小、當?shù)貛r土類型及挖掘成本。如果場地足夠大且無堅硬巖石，則水平式較經(jīng)濟。當場地面積有限時，適合采用豎直埋管方式，很多情況下選擇后者。
    水平埋管就是將塑料管水平敷設在離地面 1～2m的地溝內(nèi)。水平埋管的地熱換熱器受地表氣候變化的影響，效率較低，而且占地的面積比較大，在國內(nèi)建筑物比較密集的情況下，它的使用受到一定的限制。水平埋管的地熱換熱器有以下幾種形式：(1)水平單管；(2)水平雙管；(3)水平四管；(4)水平六管等。實踐證明，水平換熱器的壽命較長。
豎直埋管就是在地層中垂直鉆孔，孔的深度一般在30～150米。在豎直埋管方式中，由于地下深層土壤溫度比較恒定，占地面積小，因此在地源熱泵工程中得到了廣泛的應用。豎直埋管的地熱換熱器的形式有以下幾種 ：(1)單U一型管；(2)雙U一型管；(3)小直徑螺旋盤管；(4)大直徑的螺旋盤管；(5)立式柱狀；(6)蜘蛛狀。在豎直埋管換熱器中，目前應用最為廣泛的是單U一型管。本設計采用豎直雙U一型管的地下?lián)Q熱器的。
4、4  地熱換熱器的設計[6，7]
    地熱換熱器的長度直接影響到熱泵機組的性能和系統(tǒng)的初投資，因此合理確定地熱換熱器的長度是地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟運行的關鍵。地熱換熱器的設計主要包括以下內(nèi)容：地熱換熱器的長度的確定；地熱換熱器結構的設計以及管路的連接方式。
    確定地熱換熱器的長度采用了估算法。所謂估算法就是首先根據(jù)建筑物的峰值負荷，確定出地熱換熱器的長度，然后確定地熱換熱器的平面布置情況，再根據(jù)手冊中給定的單位管長或單位埋管深度的放熱量，求出所需地熱換熱器的長度。這種方法簡單，比較適合工程設計。
根據(jù)該建筑的實際情況，地源熱泵系統(tǒng)應達到冬季供熱的要求。室外埋管系統(tǒng)采用垂直U型埋管方式[6]，管徑De32。根據(jù)峰值負荷計算埋地換熱器，采用垂直雙U型埋管方式需鉆孔222口，孔深80米，間距6米。

5 地源熱泵采暖系統(tǒng)運行費用
    冬季采暖183天，每天24小時運行。設置循環(huán)水泵四臺, 三用一備，單臺功率為37KW, 熱泵機組三臺, 兩用一備型號為W490[8],單臺機組電功率為137.8KW ,同時運行系數(shù)0.49. 根據(jù)有關實際運行情況及室內(nèi)外參數(shù),對系統(tǒng)在采暖期間的耗電量和運行費用進行了分析計算 結果如表1所示。

一、耗電量
序號 設備名稱 冬季耗電量（KWh）
1 熱泵機組 593113
2 循環(huán)水泵 238881
合計 831994
二、運行費用（元） 415996.9
電價計算時按0.5元計算
在同樣的供熱負荷條件下，如僅采用冬季集中供熱，其供熱費為615470.85元（27354.26 m2X22.5元/米2=615470.85元)，而采用冬季供熱時地源熱泵系統(tǒng)運行費用僅為46818元。與此相比地源熱泵可節(jié)約費用約32.41％ 。
6 結論
1)、由于新建建筑物采用節(jié)能技術，熱負荷估算值要小于計算值，在熱泵設計初期要對熱負荷估算值進行修正。
2)、與集中供熱采暖系統(tǒng)相比，在滿足相同的熱負荷條件下，地源熱泵系統(tǒng)可節(jié)省運行費用約32.41％。由于地源熱泵系統(tǒng)可以有效改善局部環(huán)境，對環(huán)境保護有積極的促進作用。
3)、地源熱泵的應用還受土壤或巖石特性影響，初投資較高、缺少針對土壤熱物性參數(shù)的研究成果、缺少最佳匹配參數(shù)、缺少動態(tài)特性研究等方面因素,需要設計人員多積累多思考,將技術的可靠性和節(jié)能性、環(huán)保性有效地結合起來。

注：本文為《地源熱泵》雜志專稿內(nèi)容，轉載請注明“中國地源熱泵網(wǎng)”。