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【摘 要】 地源热泵是一种高效、节能、环保、有利于可持续发展的技术。本文介绍了地源热泵技术和上海某商用建筑的地源热泵系统的设计方案。對该系统的原理，以及具体项目设计选型进行了阐述，为以后上海地区类似工程的设计和施工积累了一定的设计参数和设计经验，具有一定的指导意义。
【关键词】 节能环保；地源热泵；系统设计
1.地源热泵技术的介绍
地源热泵始于“地热源热泵”，其概念最先由瑞士人Zoelly于1912年提出。美国于1946年建成第一个地源热泵系统，美国总统布什在德克萨斯州的乡间名宅也庄周地源热泵空调。我国的建设部于2005年将地源热泵技术列为建筑业十项新技术，并发布了《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005.（此版本与2009年更新）下文简称《规范》。
地源热泵是一种先进的建筑冷热源供应技术，它具有高效、节能、环保、可持续的特点。地缘热泵技术利用地下的土壤、地表水、地下水的温度相对稳定的特征，通过消耗少量的电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天可以将室内的预热转移到低位热源中，达到降温或制冷作用。具理论研究表明，地源热泵系统比空气源热泵系统节能30%以上，比锅炉采暖节能60%以上。
2.工程概况
表格 1 建筑物及设备性能负荷表
本项目位于上海浦东金桥工业园区，采用地源热泵系统的建筑为一栋4层的实验室大楼，建筑面积为8000㎡左右。由于场地面积有限，设计地源热泵的换热器采用垂直埋管形式，埋于建筑物底下。由于该栋建筑为实验室，导致建筑物某些区域需要全年供冷或供热，不过反季节负荷的要求不高，因此在主机的选择上考虑采用余热回收式地源热泵机组和闭式冷却塔的组合。设备的选型考虑将在下文中阐述。建筑物的负荷，和主机的性能可见下面的负荷表：
3.设计要点：
3.1地下换热器的设计
通常地埋管设计计算是通过软件完成的。一方面是因为地下换热过程的复杂性，为尽可能节约埋管费用，需要对埋管数量做准确的计算；另一方面地埋管设计需要预测随建筑负荷的变化埋管换热器逐时热响应情况及岩土体长期温度变换情况。为此， 《规范》中规定“埋地管设计宜采用专用软件进行”。
那如果没有购买国外专用软件，应如何就算埋管的数量和埋管深度呢？以本工程为例：在地源热泵系统方案设计前，应进行工程场地状况调查，并应对浅层地热能资源进行勘察（强规）。根据工程勘察结果评估地埋管换热系统实施的可行性及经济性。 根据本工程的岩土热物性测试报告，得出的现场实验数据计算分析和测试结果，进而得出钻孔每延米（孔深）的换热量参考值和建议打孔深度（上海地区建议打孔深度为100～120m）。然后根据换热参考值，施工现场实际地形，以及建筑冬季冷负荷值（华东地区夏季的散热量大于冬季的吸热量，为保持地下热量平衡，采用以冬季的最大冷负荷为地埋管换热器的计算标准。并采用冷却塔作为辅助冷却源。）就能计算出总的地下换热器桩数以及每个换热器的桩深。
地下换热器的管道材料应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件，此次工程采用目前国内最常用的高密度聚乙烯管道HDPE100，并采用热熔连接。
宜采用并联垂直式地埋管换热器设计。上层水平干管同程设计，布置管道时，使并联式系统的各个环路都有相同的进出水压力（连接的孔数相同），以消除干管管路沿程阻力损失的影响。埋置深度宜在冻土层一下0.6m，且宜在其他管线以下。本工程因为地埋管埋设在建筑物底下，考虑到建筑物的沉降，水平干管的埋设深度为建筑物地梁以下1m。竖直埋地换热桩的间距大于3米，以防止埋地换热器相互间的换热影响。并设集分水器，保障各个环路间在进出口处的压力平衡。
关于水压试验应符合《规范》规定，且回填过程的检验应与安装地埋管换热器同步进行。
3.2地源热泵主机的设计选型
目前，地源热泵主机分为：标准型和热回收型。又根据热回收的原理不同，又分为：余热回收型和全热回收型。余热回收型简单的原理是回收机组在工作时压缩机所产生的热能。这种热能回收产生的热品高，量少，受影响少。全热回收型是指在冷凝器前多装了一个换热器，回收冷凝器的热能。这种热回收产生的热能热品低，受影响的因素多。
由于该栋建筑为实验室，导致建筑物某些区域需要全年供冷或供热，夏季的制热量需求非常少，但是需要的进出水温度较高，因此在主机的选型上采用余热回收式地源热泵机组，通过产品性能参数表，可以找到有一款产品能够满足设计负荷的需求，选用热回收机组，不仅能省去新购动力热源的初投资，而且也提高了机组的制冷时的COP，达到进一步节能的作用。
本次工程选用的是：3台余热回收式地源热泵机组，单台制冷量为700kW，制热量为720kW，预热回收量为60kW。二用一备模式。
3.3冷却塔的设计选型
全年冷、热负荷平衡失调，将导致地埋管区域岩土体温度持续升高或者降低，从而影响地埋管换热器的换热性能，降低地埋管换热系统的运行效率。
本工程的夏季对岩土体的散热量大于冬季对岩土体的吸热量如（表格1）所示，为保持地下岩土体的热量平衡。需要增加辅助的冷却源，即冷却塔系统。冷却塔分为开式系统和闭式系统。由于该栋建筑，在冬季同样需要冷源的供应，因此，本工程选用了闭式冷却塔系统为辅助冷却源。闭式塔系统不仅保证系统的循环水质，更重要的是可以在冬季和过渡季节采用Free-Cooling模式提供冷源。不仅省去新购动力冷源的初投资，而且降低运营成本。
本次工程选用的是：2台闭式冷却塔机组与地埋管换热器系统并联，单台的冷却量为600kW。作为埋地换热器的补充冷却源，需要时可两台同时运行。
3.4水泵的设计选型 扬程：计算最不利环路所得的管道压力损失，再加上热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失，确定水泵的扬程。
总水流量：将热泵机组设计工况下每一个孔井环路的水流量数值相加，可以得到干管的总水流量。
水泵本身还运行存在衰减，水泵的流量应为系统水量的1.1～1.2倍（通常单台取1.1，两台以上并联取1.2的富裕系数）。
对照水泵厂家样本特性曲线，选择满足要求的水泵型号及台数。
本次工程选用的是3台冷冻水泵，3台冷却水泵和3台热回收水泵与主机一一对应。
3.5地下热平衡系统控制设计原理
由于全年的冷、热负荷并非是固定不变的，因此为了达到地下热平衡，必须对地源热泵系统进行动态控制。下面介绍一下本工程的自动控制大致的设计原理：
控制系统由第一个制热季为统计开始的节点，由于本工程采购的地源热泵主机上自带流量监控计和进出口的温度监控计，可以通过机组自带的控制盘柜自动统计一个制热季总共从地下吸收的总热量。当然，如果选购的主机不带上述功能，可以在地埋管换热器环路的进出口，加装流量和温度传感器，并接入自控系统，做数据采集，通过自控系统编写程序，可以达到同样的目的。将主机在第一个制热模式的总吸热量作为将冷却水从地下换热器全部切换到进入冷却塔的依据，如第一个制热模式地埋管换热器从地下总共吸收了600kW，那么当切换到制冷模式时，当通过统计冷却水进入地埋管换热器系统的水流量和进、出温度，计算地埋管换热器向地下放出到600kW的热量时，关闭进入地埋管系统的控制阀门，让冷却水全部通过闭式冷却塔进行降温，并流回主机。这样虽然把土壤自带的热平衡功能忽略不计，少利用了一部分能源。但是卻能减少一部分控制系统带来的初投资，如可以减少对地下土壤热变化、传热系数变化的监控和自控设施的投入等，让系统运行的更简单，更稳定。
4.结语
地源热泵系统作为一种节能、环保的空调系统形式，应该得到更为广泛的应用，特别是在当今能源的缺乏和环境的污染日益严重的情况下，更应在能源消耗大户的工业商业工程中推广。典型的工程设计方案和介绍是新技术研究和推广的重要手段。希望我的论文能够对上海地区从事地源热泵设计、运用的同仁有所帮助，促进地源热泵的发展，为我国的可持续发展尽一份力。
参考文献：
【1】《采暖通风与空气调节设计规范》 GB50019-2012
【2】《地源热泵系统工程技术规范》 GB50366-2009
【关键词】 节能环保；地源热泵；系统设计
1.地源热泵技术的介绍
地源热泵始于“地热源热泵”，其概念最先由瑞士人Zoelly于1912年提出。美国于1946年建成第一个地源热泵系统，美国总统布什在德克萨斯州的乡间名宅也庄周地源热泵空调。我国的建设部于2005年将地源热泵技术列为建筑业十项新技术，并发布了《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005.（此版本与2009年更新）下文简称《规范》。
地源热泵是一种先进的建筑冷热源供应技术，它具有高效、节能、环保、可持续的特点。地缘热泵技术利用地下的土壤、地表水、地下水的温度相对稳定的特征，通过消耗少量的电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天可以将室内的预热转移到低位热源中，达到降温或制冷作用。具理论研究表明，地源热泵系统比空气源热泵系统节能30%以上，比锅炉采暖节能60%以上。
2.工程概况
表格 1 建筑物及设备性能负荷表
本项目位于上海浦东金桥工业园区，采用地源热泵系统的建筑为一栋4层的实验室大楼，建筑面积为8000㎡左右。由于场地面积有限，设计地源热泵的换热器采用垂直埋管形式，埋于建筑物底下。由于该栋建筑为实验室，导致建筑物某些区域需要全年供冷或供热，不过反季节负荷的要求不高，因此在主机的选择上考虑采用余热回收式地源热泵机组和闭式冷却塔的组合。设备的选型考虑将在下文中阐述。建筑物的负荷，和主机的性能可见下面的负荷表：
3.设计要点：
3.1地下换热器的设计
通常地埋管设计计算是通过软件完成的。一方面是因为地下换热过程的复杂性，为尽可能节约埋管费用，需要对埋管数量做准确的计算；另一方面地埋管设计需要预测随建筑负荷的变化埋管换热器逐时热响应情况及岩土体长期温度变换情况。为此， 《规范》中规定“埋地管设计宜采用专用软件进行”。
那如果没有购买国外专用软件，应如何就算埋管的数量和埋管深度呢？以本工程为例：在地源热泵系统方案设计前，应进行工程场地状况调查，并应对浅层地热能资源进行勘察（强规）。根据工程勘察结果评估地埋管换热系统实施的可行性及经济性。 根据本工程的岩土热物性测试报告，得出的现场实验数据计算分析和测试结果，进而得出钻孔每延米（孔深）的换热量参考值和建议打孔深度（上海地区建议打孔深度为100～120m）。然后根据换热参考值，施工现场实际地形，以及建筑冬季冷负荷值（华东地区夏季的散热量大于冬季的吸热量，为保持地下热量平衡，采用以冬季的最大冷负荷为地埋管换热器的计算标准。并采用冷却塔作为辅助冷却源。）就能计算出总的地下换热器桩数以及每个换热器的桩深。
地下换热器的管道材料应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件，此次工程采用目前国内最常用的高密度聚乙烯管道HDPE100，并采用热熔连接。
宜采用并联垂直式地埋管换热器设计。上层水平干管同程设计，布置管道时，使并联式系统的各个环路都有相同的进出水压力（连接的孔数相同），以消除干管管路沿程阻力损失的影响。埋置深度宜在冻土层一下0.6m，且宜在其他管线以下。本工程因为地埋管埋设在建筑物底下，考虑到建筑物的沉降，水平干管的埋设深度为建筑物地梁以下1m。竖直埋地换热桩的间距大于3米，以防止埋地换热器相互间的换热影响。并设集分水器，保障各个环路间在进出口处的压力平衡。
关于水压试验应符合《规范》规定，且回填过程的检验应与安装地埋管换热器同步进行。
3.2地源热泵主机的设计选型
目前，地源热泵主机分为：标准型和热回收型。又根据热回收的原理不同，又分为：余热回收型和全热回收型。余热回收型简单的原理是回收机组在工作时压缩机所产生的热能。这种热能回收产生的热品高，量少，受影响少。全热回收型是指在冷凝器前多装了一个换热器，回收冷凝器的热能。这种热回收产生的热能热品低，受影响的因素多。
由于该栋建筑为实验室，导致建筑物某些区域需要全年供冷或供热，夏季的制热量需求非常少，但是需要的进出水温度较高，因此在主机的选型上采用余热回收式地源热泵机组，通过产品性能参数表，可以找到有一款产品能够满足设计负荷的需求，选用热回收机组，不仅能省去新购动力热源的初投资，而且也提高了机组的制冷时的COP，达到进一步节能的作用。
本次工程选用的是：3台余热回收式地源热泵机组，单台制冷量为700kW，制热量为720kW，预热回收量为60kW。二用一备模式。
3.3冷却塔的设计选型
全年冷、热负荷平衡失调，将导致地埋管区域岩土体温度持续升高或者降低，从而影响地埋管换热器的换热性能，降低地埋管换热系统的运行效率。
本工程的夏季对岩土体的散热量大于冬季对岩土体的吸热量如（表格1）所示，为保持地下岩土体的热量平衡。需要增加辅助的冷却源，即冷却塔系统。冷却塔分为开式系统和闭式系统。由于该栋建筑，在冬季同样需要冷源的供应，因此，本工程选用了闭式冷却塔系统为辅助冷却源。闭式塔系统不仅保证系统的循环水质，更重要的是可以在冬季和过渡季节采用Free-Cooling模式提供冷源。不仅省去新购动力冷源的初投资，而且降低运营成本。
本次工程选用的是：2台闭式冷却塔机组与地埋管换热器系统并联，单台的冷却量为600kW。作为埋地换热器的补充冷却源，需要时可两台同时运行。
3.4水泵的设计选型 扬程：计算最不利环路所得的管道压力损失，再加上热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失，确定水泵的扬程。
总水流量：将热泵机组设计工况下每一个孔井环路的水流量数值相加，可以得到干管的总水流量。
水泵本身还运行存在衰减，水泵的流量应为系统水量的1.1～1.2倍（通常单台取1.1，两台以上并联取1.2的富裕系数）。
对照水泵厂家样本特性曲线，选择满足要求的水泵型号及台数。
本次工程选用的是3台冷冻水泵，3台冷却水泵和3台热回收水泵与主机一一对应。
3.5地下热平衡系统控制设计原理
由于全年的冷、热负荷并非是固定不变的，因此为了达到地下热平衡，必须对地源热泵系统进行动态控制。下面介绍一下本工程的自动控制大致的设计原理：
控制系统由第一个制热季为统计开始的节点，由于本工程采购的地源热泵主机上自带流量监控计和进出口的温度监控计，可以通过机组自带的控制盘柜自动统计一个制热季总共从地下吸收的总热量。当然，如果选购的主机不带上述功能，可以在地埋管换热器环路的进出口，加装流量和温度传感器，并接入自控系统，做数据采集，通过自控系统编写程序，可以达到同样的目的。将主机在第一个制热模式的总吸热量作为将冷却水从地下换热器全部切换到进入冷却塔的依据，如第一个制热模式地埋管换热器从地下总共吸收了600kW，那么当切换到制冷模式时，当通过统计冷却水进入地埋管换热器系统的水流量和进、出温度，计算地埋管换热器向地下放出到600kW的热量时，关闭进入地埋管系统的控制阀门，让冷却水全部通过闭式冷却塔进行降温，并流回主机。这样虽然把土壤自带的热平衡功能忽略不计，少利用了一部分能源。但是卻能减少一部分控制系统带来的初投资，如可以减少对地下土壤热变化、传热系数变化的监控和自控设施的投入等，让系统运行的更简单，更稳定。
4.结语
地源热泵系统作为一种节能、环保的空调系统形式，应该得到更为广泛的应用，特别是在当今能源的缺乏和环境的污染日益严重的情况下，更应在能源消耗大户的工业商业工程中推广。典型的工程设计方案和介绍是新技术研究和推广的重要手段。希望我的论文能够对上海地区从事地源热泵设计、运用的同仁有所帮助，促进地源热泵的发展，为我国的可持续发展尽一份力。
参考文献：
【1】《采暖通风与空气调节设计规范》 GB50019-2012
【2】《地源热泵系统工程技术规范》 GB50366-2009