【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(shè)計(jì)與應(yīng)用，敘述了土壤源熱泵工程的設(shè)計(jì)步驟，地埋管的布置，低溫?zé)崴匕遢椛洳膳染唧w的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。
【關(guān)鍵詞】土壤源熱泵地埋管低溫?zé)崴匕遢椛洳膳?/p>
引言
隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人們生活水平的提高，對(duì)供熱和空調(diào)的需求快速增長(zhǎng)，對(duì)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(lái)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(shè)計(jì)冷負(fù)荷為37.2KW，熱負(fù)荷為14.9KW，根據(jù)計(jì)算，選用PHNIX地源熱泵帶熱回）中央空調(diào)，型號(hào)為PWSRW130S-HGL，機(jī)組制冷量為40KW,制熱量為31.5KW。設(shè)計(jì)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(fēng)機(jī)盤管為房間供冷，冬季利用低溫?zé)崴匕遢椛涔?，一套系統(tǒng)，兩種末端，溫度梯度合理，減少能耗，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)。
二、方案設(shè)計(jì)參數(shù)及依據(jù)
1.空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)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(fēng)干球溫度
33℃
通風(fēng)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(duì)濕度
77%
相對(duì)濕度
80%
大氣壓力
102.09KPa
大氣壓力
100.05KPa
風(fēng)速
2.3m/s
風(fēng)速
2.2m/s
2空調(diào)設(shè)計(jì)室內(nèi)計(jì)算參數(shù)：
房間名稱
溫度℃
相對(duì)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(huì)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(shè)計(jì)遵守規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)
1）、本工程依據(jù)建設(shè)單位提供的建施圖。
2）、暖氣與通風(fēng)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范
3）、采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范
4）、簡(jiǎn)明空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)（中國(guó)建筑工業(yè)出版社、第二版）
5）、采暖空調(diào)制冷手冊(cè)（機(jī)械工業(yè)出版社）
6）、國(guó)家現(xiàn)行的其他相關(guān)規(guī)范及措施。
三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1、系統(tǒng)特點(diǎn)：
地源熱泵中央空調(diào)是以地能(地下水、地下沙土等蘊(yùn)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(jìn)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(lái)制取衛(wèi)生熱水，解決了洗澡的供水問(wèn)題，充分顯示了其一機(jī)三用的優(yōu)越特性，是一種真正節(jié)能、環(huán)保無(wú)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(chǎng)、賓館、酒店、洗浴中心、住宅小區(qū)、別墅、分層租賃的商務(wù)寫字樓娛樂(lè)場(chǎng)所等各類場(chǎng)所。
2、冷熱源系統(tǒng)：
經(jīng)綜合分析，選用型號(hào)PWSRW130S-HGL的地源熱泵機(jī)組作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源。該機(jī)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?？照{(diào)末端為臥式暗裝風(fēng)機(jī)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(shè)計(jì)：
4.1、熱交換器的形式：
經(jīng)過(guò)多方面的考慮及甲方意見(jiàn)，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(lái)講，一旦將換熱器埋入地下后，基本不可能進(jìn)行維修或更換，這就要求保證埋入地下管材的化學(xué)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(yán)重不足，且需要埋入地下的管道的數(shù)量較多，應(yīng)該優(yōu)先考慮使用價(jià)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(shí)際工程中確定管徑必須滿足兩個(gè)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(gè)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(duì)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(dāng)量長(zhǎng)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(fù)荷計(jì)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?jì)算：
由負(fù)荷計(jì)算得夏季設(shè)計(jì)空調(diào)冷負(fù)荷為37.2KW，則冬季設(shè)計(jì)采暖負(fù)荷為14.9KW。由于杭州地區(qū)一般夏季負(fù)荷比冬季負(fù)荷的大，而且冬季單位采暖供熱量比夏季的大，故只需計(jì)算夏季負(fù)荷即可滿足冬季采暖負(fù)荷。
kW（1）
kW（2）
其中Q1＇——夏季向土壤排放的熱量，kW
Q1——夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷，kW
Q2＇——冬季從土壤吸收的熱量，kW
Q2——冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷，kW
COP1——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)
COP2——設(shè)計(jì)工況下水源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)
由公式（1）、（2）計(jì)算得Q1＇=46KW，Q2＇=18.4KW。
4.5、豎井埋管管長(zhǎng)確定：
地下熱交換器長(zhǎng)度的確定除了已確定的系統(tǒng)布置和管材外，還需要有當(dāng)?shù)氐耐寥兰夹g(shù)資料，如地下溫度、傳熱系數(shù)等。在實(shí)際工程中，可以利用管材“換熱能力”來(lái)計(jì)算管長(zhǎng)。換熱能力即單位垂直埋管深度或單位管長(zhǎng)的換熱量，一般垂直埋管為70～110W/m(井深)，或35～55W/m(管長(zhǎng))，水平埋管為20～40W/m（管長(zhǎng)）左右。
設(shè)計(jì)時(shí)可取換熱能力的下限值，即45W/m（管長(zhǎng)），具體計(jì)算公式如下：
L=Q’1000/45（3）
其中L——豎井埋管總長(zhǎng)，m
Q1＇——夏季向土壤排放的熱量，kW
分母“45”是夏季每m管長(zhǎng)散熱量，W/m
經(jīng)上面計(jì)算Q1＇=46KW，代進(jìn)公式（3）計(jì)算得L=1022m。
室外垂直埋管示意圖：
4.6、豎井?dāng)?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(gè)豎井深度H，代入下式計(jì)算豎井?dāng)?shù)目:
（4）
其中N——豎井總數(shù)，個(gè)
L——豎井埋管總長(zhǎng)，m
H——豎井深度，m
分母“2”是考慮到豎井內(nèi)埋管管長(zhǎng)約等于豎井深度的2倍。
代進(jìn)L=1022m,H取60m,則N=8.5個(gè)，取N=9個(gè)，則實(shí)際管長(zhǎng)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(gè)分路。
5、室內(nèi)地盤管設(shè)計(jì)：
5.1、低溫地面輻射采暖設(shè)計(jì)及主要技術(shù)參數(shù)
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Mr)Mb客戶要求室內(nèi)溫度在冬天能維持在18～20℃.本地板采暖系統(tǒng)采用了二次泵系統(tǒng)，配有一個(gè)100L的儲(chǔ)能水罐。
根據(jù)以上條件，查相關(guān)資料（見(jiàn)附表1）得出了以下參數(shù)：
地盤管進(jìn)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(gè)盤管回路長(zhǎng)度：小于100米
為了更好的達(dá)到要求，還使用某一軟件進(jìn)行校對(duì)，校對(duì)參數(shù)如下：
5.2、各房間地盤管長(zhǎng)度：
經(jīng)過(guò)計(jì)算，各房間的盤管的長(zhǎng)度如下表：
房間名
面積(㎡)
盤管長(zhǎng)度(米)
地下一層
餐廳
35
68×2
保姆房
6
客房
12
47
活動(dòng)室
19
75
一層
餐廳
22
87
客廳
29
57×2
客房
14
55
書房
10
40
過(guò)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(jī)選用了帶熱回收功能，在機(jī)組運(yùn)行的過(guò)程中可以得到生活用的熱水（夏天制熱水費(fèi)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(jì)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(shè)計(jì)計(jì)算
按機(jī)組的回收量為20%計(jì)算，每個(gè)小時(shí)回收的熱量為40KW×20%=8KW，冬天以5℃的進(jìn)水溫度加熱到50℃計(jì)算，
由上計(jì)算可以看出，要加熱500L熱水，機(jī)組每天只需要運(yùn)行4個(gè)小時(shí)就能滿足。而且在制冷的季節(jié)，制熱水的費(fèi)用為0，也就是說(shuō)用戶可以免費(fèi)得到生活用熱水。
五、小結(jié)
本工程采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳且环N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(jī)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(yùn)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(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)于一身，在能源短缺和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的今天具有巨大的推廣價(jià)值。