【摘要】以武漢市某私人別墅的工程為例，介紹土壤熱泵空調(diào)工程的設計與應用，敘述了土壤源熱泵工程的設計步驟，地埋管的布置，低溫熱水地板輻射采暖等具體的設計計算方法。

【關(guān)鍵詞】土壤源熱泵地埋管低溫熱水地板輻射采暖

引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和人們生活水平的提高，對供熱和空調(diào)的需求快速增長，對室內(nèi)外環(huán)境質(zhì)量的要求也不斷提高，供熱，制冷的方式越來越多樣化。從可持續(xù)發(fā)展的角度看，采暖，空調(diào)用能必須提高能源利用效率，努力尋找可以再生的能源。地源熱泵就是一種節(jié)能環(huán)保型的空調(diào)冷熱源。

一、工程概述：

本工程為杭州某別墅，建筑面積為約350㎡，空調(diào)面積為186㎡，總設計冷負荷為37.2KW，熱負荷為14.9KW，根據(jù)計算，選用PHNIX地源熱泵帶熱回）中央空調(diào)，型號為PWSRW130S-HGL，機組制冷量為40KW,制熱量為31.5KW。設計采用的方案為地源熱泵（熱回收）中央空調(diào)系統(tǒng)，夏季利用臥式暗裝風機盤管為房間供冷，冬季利用低溫熱水地板輻射供熱，一套系統(tǒng)，兩種末端，溫度梯度合理，減少能耗，運行經(jīng)濟。

二、方案設計參數(shù)及依據(jù)

1.空調(diào)設計計算基本參數(shù)：

夏季

冬季

空氣調(diào)節(jié)干球溫度

35.7℃

空氣調(diào)節(jié)干球溫度

-4℃

通風干球溫度

33℃

通風干球溫度

4℃

空氣調(diào)節(jié)日平均干球溫度

31.5℃

采暖干球溫度

-1℃

空氣調(diào)節(jié)濕球溫度

28.5℃

相對濕度

77%

相對濕度

80%

大氣壓力

102.09KPa

大氣壓力

100.05KPa

風速

2.3m/s

風速

2.2m/s

2空調(diào)設計室內(nèi)計算參數(shù)：

房間名稱

溫度℃

相對濕度%

噪音dB（A）

夏季

冬季

夏季

冬季

臥室

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

餐廳

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

客房

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

會客廳

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

庭院

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

書房

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

主臥

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

廚房

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

小孩房

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

自由空間

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

3、空調(diào)設計遵守規(guī)范和標準

1）、本工程依據(jù)建設單位提供的建施圖。

2）、暖氣與通風工程施工及驗收規(guī)范

3）、采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范

4）、簡明空調(diào)設計手冊（中國建筑工業(yè)出版社、第二版）

5）、采暖空調(diào)制冷手冊（機械工業(yè)出版社）

6）、國家現(xiàn)行的其他相關(guān)規(guī)范及措施。

三、系統(tǒng)設計

1、系統(tǒng)特點：

地源熱泵中央空調(diào)是以地能(地下水、地下沙土等蘊藏的能量)為主要能源，以電為輔助能源，開發(fā)利用地下取之不盡用之不竭的巨大能源、成本低、效果好、性能穩(wěn)定的一種空調(diào)系統(tǒng)。先進的地源熱泵空調(diào)將地下取之不盡不能直接利用的低位能開發(fā)利用，成為可利用的高位能源，它不僅可以滿足冬季供熱、夏季制冷的需要，又能用來制取衛(wèi)生熱水，解決了洗澡的供水問題，充分顯示了其一機三用的優(yōu)越特性，是一種真正節(jié)能、環(huán)保無污染的好空調(diào)。結(jié)合有關(guān)地下水井回灌工藝技術(shù)，地埋管循環(huán)工藝技術(shù)，可在地下水源豐富或缺水地區(qū)推廣使用，廣泛適用于商場、賓館、酒店、洗浴中心、住宅小區(qū)、別墅、分層租賃的商務寫字樓娛樂場所等各類場所。

2、冷熱源系統(tǒng)：

經(jīng)綜合分析，選用型號PWSRW130S-HGL的地源熱泵機組作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源。該機組制冷量為40KW，制熱量為31.5KW，夏季提供7℃/12℃的冷水，冬季提供45℃/40℃。

3、制冷，采暖形式：

根據(jù)甲方要求，采用全水系統(tǒng)，水系統(tǒng)為定流量雙管制，水管均采用異程式。空調(diào)末端為臥式暗裝風機盤管；冬天使用的采暖方式為低溫地板輻射。

4、室外地下埋管設計：

4.1、熱交換器的形式：

經(jīng)過多方面的考慮及甲方意見，本工程采用垂直埋管布置方式，單U型管并聯(lián)同程的熱交換器形式。

4.2、管材選擇：

一般來講，一旦將換熱器埋入地下后，基本不可能進行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學性質(zhì)穩(wěn)定并且耐腐蝕。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中使用的金屬管材在這方面存在嚴重不足，且需要埋入地下的管道的數(shù)量較多，應該優(yōu)先考慮使用價格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統(tǒng)中一般采用塑料管材。因此，本工程采用的是聚乙烯（PE）管材，它可以彎曲或熱熔形成更牢固的形狀，可以保證使用50年以上。

4.3、管徑確定：

在實際工程中確定管徑必須滿足兩個要求：（1）管道要大到足夠保持最小輸送功率；（2）管道要小到足夠使管道內(nèi)保持紊流以保證流體與管道內(nèi)壁之間的傳熱。顯然，上述兩個要求相互矛盾，需要綜合考慮。一般并聯(lián)環(huán)路用小管徑，集管用大管徑，地下熱交換器埋管常用管徑有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管內(nèi)流速控制在1.22m/s以下,對更大管徑的管道，管內(nèi)流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段壓力損失控制在4mH２O/100m當量長度以下。

綜上所述，本工程地下熱交換器埋管采用管徑為200MM。

4.4、地下負荷計算：

冬夏季地下?lián)Q熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤吸收的熱量?？梢杂上率龉接嬎悖?/p>

由負荷計算得夏季設計空調(diào)冷負荷為37.2KW，則冬季設計采暖負荷為14.9KW。由于杭州地區(qū)一般夏季負荷比冬季負荷的大，而且冬季單位采暖供熱量比夏季的大，故只需計算夏季負荷即可滿足冬季采暖負荷。

kW（1）

kW（2）

其中Q1＇——夏季向土壤排放的熱量，kW

Q1——夏季設計總冷負荷，kW

Q2＇——冬季從土壤吸收的熱量，kW

Q2——冬季設計總熱負荷，kW

COP1——設計工況下水源熱泵機組的制冷系數(shù)

COP2——設計工況下水源熱泵機組的供熱系數(shù)

由公式（1）、（2）計算得Q1＇=46KW，Q2＇=18.4KW。

4.5、豎井埋管管長確定：

地下熱交換器長度的確定除了已確定的系統(tǒng)布置和管材外，還需要有當?shù)氐耐寥兰夹g(shù)資料，如地下溫度、傳熱系數(shù)等。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70～110W/m(井深)，或35～55W/m(管長)，水平埋管為20～40W/m（管長）左右。

設計時可取換熱能力的下限值，即45W/m（管長），具體計算公式如下：

L=Q’1000/45（3）

其中L——豎井埋管總長，m

Q1＇——夏季向土壤排放的熱量，kW

分母“45”是夏季每m管長散熱量，W/m

經(jīng)上面計算Q1＇=46KW，代進公式（3）計算得L=1022m。

室外垂直埋管示意圖：

4.6、豎井數(shù)目及間距確定：

豎井深度多數(shù)采用50～150m，在此范圍內(nèi)選擇一個豎井深度H，代入下式計算豎井數(shù)目:

（4）

其中N——豎井總數(shù)，個

L——豎井埋管總長，m

H——豎井深度，m

分母“2”是考慮到豎井內(nèi)埋管管長約等于豎井深度的2倍。

代進L=1022m,H取60m,則N=8.5個，取N=9個，則實際管長為1080米。

U型管豎井的水平間距一般為4.5m，每一豎井為一個分路。

5、室內(nèi)地盤管設計：

5.1、低溫地面輻射采暖設計及主要技術(shù)參數(shù)

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本地板采暖系統(tǒng)采用了二次泵系統(tǒng)，配有一個100L的儲能水罐。

根據(jù)以上條件，查相關(guān)資料（見附表1）得出了以下參數(shù)：

地盤管進水溫度：40℃

地盤管出水溫度：30～33℃

盤管間距：200mm

地盤管管徑：16mm單個盤管回路長度：小于100米

為了更好的達到要求，還使用某一軟件進行校對，校對參數(shù)如下：

5.2、各房間地盤管長度：

經(jīng)過計算，各房間的盤管的長度如下表：

房間名

面積(㎡)

盤管長度(米)

地下一層

餐廳

35

68×2

保姆房

6

客房

12

47

活動室

19

75

一層

餐廳

22

87

客廳

29

57×2

客房

14

55

書房

10

40

過道

7

電視房

11

44

二層

主臥室

26

102

小孩房

13

51

四、生活熱水

4、1熱水使用概況

本工程的主機選用了帶熱回收功能，在機組運行的過程中可以得到生活用的熱水（夏天制熱水費用為0）。

根據(jù)甲方提供的參數(shù)，每天使用人數(shù)為5人，按照每人每天使用100L計算，我們?yōu)楸竟こ踢x用了一500L的304不銹鋼整體發(fā)泡保溫水箱。

4、2熱水設計計算

按機組的回收量為20%計算，每個小時回收的熱量為40KW×20%=8KW，冬天以5℃的進水溫度加熱到50℃計算，

由上計算可以看出，要加熱500L熱水，機組每天只需要運行4個小時就能滿足。而且在制冷的季節(jié)，制熱水的費用為0，也就是說用戶可以免費得到生活用熱水。

五、小結(jié)

本工程采用低溫熱水地板輻射采暖是一種較好的供暖方式，容易形成舒適的熱環(huán)境，又利于技能。再加上主機采用地源熱泵（地埋管）帶熱回收，完全取消了生活熱水鍋爐，既降低了投資，又節(jié)省了生活熱水運行成本和鍋爐水處理及鍋爐排煙處理投資，減少了鍋爐排煙污染。該系統(tǒng)集節(jié)能、環(huán)保、無污染等優(yōu)點于一身，在能源短缺和環(huán)境污染日趨嚴重的今天具有巨大的推廣價值。