【摘要】以武漢市某私人別墅的工程為例，介紹土壤熱泵空調工程的設計與應用，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

隨著經濟的高速發展和人們生活水平的提高，對供熱和空調的需求快速增長，對室內外環境質量的要求也不斷提高，供熱，制冷的方式越來越多樣化。從可持續發展的角度看，采暖，空調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能環保型的空調冷熱源。

一、工程概述：

本工程為杭州某別墅，建筑面積為約350㎡，空調面積為186㎡，總設計冷負荷為37.2KW，熱負荷為14.9KW，根據計算，選用PHNIX地源熱泵帶熱回）中央空調，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）中央空調系統，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，兩種末端，溫度梯度合理，減少能耗，運行經濟。

二、方案設計參數及依據

1.空調設計計算基本參數：

夏季

冬季

空氣調節干球溫度

35.7℃

空氣調節干球溫度

-4℃

通風干球溫度

33℃

通風干球溫度

4℃

空氣調節日平均干球溫度

31.5℃

采暖干球溫度

-1℃

空氣調節濕球溫度

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空調設計室內計算參數：

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、空調設計遵守規范和標準

1）、本工程依據建設單位提供的建施圖。

2）、暖氣與通風工程施工及驗收規范

3）、采暖通風與空氣調節設計規范

4）、簡明空調設計手冊（中國建筑工業出版社、第二版）

5）、采暖空調制冷手冊（機械工業出版社）

6）、國家現行的其他相關規范及措施。

三、系統設計

1、系統特點：

地源熱泵中央空調是以地能(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、性能穩定的一種空調系統。先進的地源熱泵空調將地下取之不盡不能直接利用的低位能開發利用，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越特性，是一種真正節能、環保無污染的好空調。結合有關地下水井回灌工藝技術，地埋管循環工藝技術，可在地下水源豐富或缺水地區推廣使用，廣泛適用于商場、賓館、酒店、洗浴中心、住宅小區、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：

經綜合分析，選用型號PWSRW130S-HGL的地源熱泵機組作為空調系統的冷熱源。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：

根據甲方要求，采用全水系統，水系統為定流量雙管制，水管均采用異程式?？照{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穩定并且耐腐蝕。常規空調系統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量較多，應該優先考慮使用價格較低的管材。所以，土壤源熱泵系統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保持紊流以保證流體與管道內壁之間的傳熱。顯然，上述兩個要求相互矛盾，需要綜合考慮。一般并聯環路用小管徑，集管用大管徑，地下熱交換器埋管常用管徑有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管內流速控制在1.22m/s以下,對更大管徑的管道，管內流速控制在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：

冬夏季地下換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冷負荷為37.2KW，則冬季設計采暖負荷為14.9KW。由于杭州地區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

COP2——設計工況下水源熱泵機組的供熱系數

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布置和管材外，還需要有當地的土壤技術資料，如地下溫度、傳熱系數等。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、豎井數目及間距確定：

豎井深度多數采用50～150m，在此范圍內選擇一個豎井深度H，代入下式計算豎井數目:

（4）

其中N——豎井總數，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、室內地盤管設計：

5.1、低溫地面輻射采暖設計及主要技術參數

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本地板采暖系統采用了二次泵系統，配有一個100L的儲能水罐。

根據以上條件，查相關資料（見附表1）得出了以下參數：

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，校對參數如下：

5.2、各房間地盤管長度：

經過計算，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）。

根據甲方提供的參數，每天使用人數為5人，按照每人每天使用100L計算，我們為本工程選用了一500L的304不銹鋼整體發泡保溫水箱。

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，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

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。該系統集節能、環保、無污染等優點于一身，在能源短缺和環境污染日趨嚴重的今天具有巨大的推廣價值。