摘要：文章結(jié)合具體工程實(shí)例分析地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在南郊農(nóng)場辦公樓的應(yīng)用情況，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面表現(xiàn)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)和理想的節(jié)能效果。文章特將該系統(tǒng)和傳統(tǒng)的水冷螺桿機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)做出比較，更清晰地突出了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；頂棚輻射；水環(huán)熱泵；經(jīng)濟(jì)效益

中圖分類號(hào)：TK529 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）23-0014-03

通常，土壤在超過地面之下3m時(shí)，溫度全年比較穩(wěn)定，通常徘徊在10℃～25℃之間。相對于空氣源熱泵，地源熱泵制冷、制熱系數(shù)要高約40%，達(dá)到3.5～4.4的水平，而其運(yùn)行費(fèi)用卻不到普通中央空調(diào)的一半。相對于傳統(tǒng)的水冷螺桿機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)占用的建筑空間小得多，且更易維護(hù)，僅需定期清理空氣過濾網(wǎng)及凝結(jié)水盤即可。另外，該系統(tǒng)環(huán)保效果也很理想，無污染，無噪聲?？傊?，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢，受到業(yè)內(nèi)人士廣泛的重視和采用。

1 工程概況

南郊農(nóng)場地跨大興、豐臺(tái)、房山三區(qū)，地處城鄉(xiāng)結(jié)合部，南郊農(nóng)場辦公樓總建筑面積13000m2，地上建筑面積9000m2，地下建筑面積4000m2，地上部分分主樓和附樓，主樓主要功能為辦公，附樓主要為休息、接待場所。地下主要功能為設(shè)備用房及汽車庫。建筑高度12.3m。

2 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

本空調(diào)覆蓋區(qū)域的主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)如表1、表2所示：

2.2 空調(diào)系統(tǒng)選型及工作原理

主樓辦公區(qū)的供冷及供暖采用的是垂直地埋管地源熱泵空調(diào)+頂棚輻射系統(tǒng)，而附樓采用的復(fù)合型地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)為水環(huán)熱泵+冷卻塔+地埋管。工作原理分別參見圖1、圖2所示：

2.3 冷熱源設(shè)備

通過負(fù)荷驗(yàn)算，主樓選用1臺(tái)MWH180CB型土壤源熱泵機(jī)組，其制冷量為626kW，制熱量為494kW，其采取了頂棚輻射進(jìn)行供冷和供暖的措施。夏季，冷水由地源提供，分為2路，一路通過板式換熱器為樓板埋管供水，供回水溫度為17℃～21℃；另一路用于屋頂?shù)男嘛L(fēng)機(jī)組，夏季新風(fēng)機(jī)組供回水溫度為7℃～12℃。在冬季，熱水通過地源獲得，冬季樓板埋管空調(diào)供回水溫度為25℃～29℃，而新風(fēng)空調(diào)機(jī)組供回水溫度為30℃～35℃。為達(dá)到空調(diào)夏季熱平衡的目的，于夜間及負(fù)荷較低時(shí)段運(yùn)行供樓板埋管系統(tǒng)將建筑預(yù)冷，并蓄冷于樓板，而于負(fù)荷高峰時(shí)段進(jìn)行機(jī)械制冷時(shí)，樓板起輔助供冷作用。附樓的水環(huán)熱泵+冷卻塔+地埋管系統(tǒng)于夏季進(jìn)行地埋管散熱，輔以閉式冷卻塔散熱。水環(huán)路熱泵（WLHP）空調(diào)系統(tǒng)的原理為在建筑物的內(nèi)區(qū)需供冷同時(shí)外區(qū)需供熱的情況下，將內(nèi)區(qū)熱量轉(zhuǎn)移到外區(qū)，調(diào)整整個(gè)建筑內(nèi)部的能量供求以達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，這樣可停運(yùn)室外的冷熱源，其經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，能量消耗也少。該主機(jī)采用分散式水環(huán)熱泵機(jī)組，夏季冷卻水供回水溫度為30℃～35℃。

2.4 土壤換熱系統(tǒng)

室外土壤換熱采用的是垂直埋管系統(tǒng)。請地質(zhì)專家勘查項(xiàng)目場地，且需測試土壤熱物性。室外換熱管長度和數(shù)量的選擇需考慮到項(xiàng)目場地地質(zhì)、水文情況和測井?dāng)?shù)據(jù)，并通過專業(yè)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算。充分考慮需求，一共裝設(shè)90組垂直U型換熱管埋深80m。

2.5 室內(nèi)末端風(fēng)、水系統(tǒng)

分別設(shè)置2組空調(diào)水系統(tǒng)和地埋管系統(tǒng)，分別獨(dú)立應(yīng)用于主附樓兩個(gè)區(qū)域。附樓采用吊裝式水環(huán)熱泵空調(diào)機(jī)組+新風(fēng)預(yù)處理機(jī)組。主樓采用頂棚輻射+置換式新風(fēng)系統(tǒng)，于夏季為進(jìn)行室內(nèi)降溫，將循環(huán)冷水注入輻射管網(wǎng)；于冬季為進(jìn)行室內(nèi)升溫，將循環(huán)熱水注入。室內(nèi)潛熱負(fù)荷由新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)，新風(fēng)機(jī)組由轉(zhuǎn)輪式全熱回收，送風(fēng)由地板，排風(fēng)由走道天花。頂棚輻射為樓板埋管，具體如圖3所示：

3 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)水冷螺桿冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)的比較

當(dāng)前，我國大中型建筑以“冷水機(jī)組+鍋爐”作為中央空調(diào)冷熱源形式占絕大多數(shù)，雖然該類系統(tǒng)具有高效率、高效果的優(yōu)點(diǎn)，但運(yùn)行耗能大。在此筆者結(jié)合該工程，從節(jié)能和經(jīng)濟(jì)方面比較分析地源熱泵和“冷水機(jī)組+鍋爐”兩種冷熱源的空調(diào)系統(tǒng)。

3.1 初投資比較

本項(xiàng)目中熱泵空調(diào)系統(tǒng)初投資約220萬元，其中地源熱泵130萬左右（包括室外地埋管、鉆孔、土方等支出），臥式整體水環(huán)熱泵75萬左右，循環(huán)水泵約3萬，冷卻塔2萬，其他10萬左右。而采用傳統(tǒng)的“冷水機(jī)組+鍋爐”空調(diào)系統(tǒng)初投資約190萬元，其中冷水機(jī)組80萬左右，燃?xì)鉄崴仩t90萬左右，循環(huán)水泵約6萬，冷卻塔4萬，其他10萬元。

通過上述分析，相對于常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的初投資更高，高出220-190=30萬元。

3.2 運(yùn)行費(fèi)比較

設(shè)空調(diào)系統(tǒng)年供冷時(shí)間為1200h，年供熱時(shí)間為960h，并設(shè)在負(fù)荷為100%、75%、50%和25%的情況下，系統(tǒng)供冷和供熱時(shí)間分別占總時(shí)間的10%、30%、50%和10%，按照此假設(shè)進(jìn)行冷熱源設(shè)備年運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算和分析，參見表3所示：

通過表3得知，二者運(yùn)行費(fèi)差別為42-30=12萬元/年，地源熱泵系統(tǒng)的簡單回收期約為30÷12=2.5年。該地源熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)使用年限為20年，而室外地埋管設(shè)計(jì)使用年限為70年，相對于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，該地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行20年節(jié)省的費(fèi)用為：12×20=240萬元。

4 自動(dòng)控制

4.1 主樓水泵控制方式

根據(jù)不同時(shí)候的負(fù)荷大小，該地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置壓差旁通閥來調(diào)整地源熱泵的數(shù)量。

4.2 附樓水泵控制方式

當(dāng)系統(tǒng)處于空調(diào)季節(jié)，參考水環(huán)熱泵負(fù)荷最不利環(huán)路的側(cè)壓差，首先將冷卻塔開啟并進(jìn)行變頻運(yùn)轉(zhuǎn)控制，在冷卻水泵運(yùn)行停止后，對地源熱泵變頻運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行控制；當(dāng)系統(tǒng)處于過渡季節(jié)，參考水環(huán)熱泵負(fù)荷最不利環(huán)路的側(cè)壓差，首先將地源側(cè)水泵開啟并進(jìn)行變頻運(yùn)轉(zhuǎn)控制，在地源側(cè)水泵運(yùn)行停止后，對冷卻塔水泵變頻運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。

4.3 新風(fēng)機(jī)組控制方式

當(dāng)系統(tǒng)處于空調(diào)季節(jié)，將轉(zhuǎn)輪式熱交換器進(jìn)行開啟，并將排風(fēng)中全熱負(fù)荷進(jìn)行回收；當(dāng)系統(tǒng)處于過渡季節(jié)，將轉(zhuǎn)輪式熱交換器進(jìn)行關(guān)閉，而將對應(yīng)的新排風(fēng)旁通風(fēng)閥進(jìn)行開啟，另外，裝設(shè)空氣凈化器于空調(diào)箱混合段后。

5 結(jié)語

相對于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在節(jié)能和經(jīng)濟(jì)方面占據(jù)很大優(yōu)勢，本工程實(shí)例的分析計(jì)算結(jié)果顯示，相比較傳統(tǒng)的水冷冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t空調(diào)系統(tǒng)，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的初投資多出15.8%，而年運(yùn)行費(fèi)卻節(jié)省約28.6%，僅2.5年左右就可簡單回收。實(shí)際上，應(yīng)用地源熱泵時(shí)還需要考慮土壤和巖石特性對施工效果和初投資的影響，并且做好如土壤熱物性參數(shù)、最佳匹配參數(shù)及動(dòng)態(tài)特性的方面的研究，這些都是設(shè)計(jì)工程人員必須思考和總結(jié)的問題，對地源熱泵應(yīng)用的可行性的提高具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪敏麗，張湘君.地源熱泵空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2007，（5）.

[2] 陳北領(lǐng)，劉澤華，張信樹，肖雙江.地源熱泵與傳統(tǒng)冷熱源空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)例對比[J].節(jié)能，2007，

（6）.

[3] 李愷淵，王景剛.冷卻塔輔助冷卻地源熱泵技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].建筑節(jié)能，2007，（1）.

[4] 何耀東，孟震.地源熱泵中央空調(diào)的多種設(shè)計(jì)方案及其特性分析[J].制冷技術(shù)，2009，（2）.

[5] 陳捷，王松.北京市某研發(fā)樓地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].廣西城鎮(zhèn)建設(shè)，2008，（5）.

[6] 張信樹，劉澤華，陳北領(lǐng)，李香梅.某寫字樓地源熱泵冬季供暖性能測試及節(jié)能分析[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2007，（3）.

作者簡介：游榮（1981—），貴州人，供職于北京龍安華誠建筑設(shè)計(jì)有限公司，研究方向：暖通設(shè)計(jì)。