南京市紫澜别墅地源热泵系统优化设计★

吴祥松 熊厚仁

(嘉兴学院建筑工程学院，浙江嘉兴 314001)

地源热泵是一种用于取暖、制冷和供应热水的高效、绿色环保节能系统。但是，热泵系统的水平和垂直埋管的土壤源换热方式，均受到占用地下空间及初投资过高等因素的影响，影响了地源热泵系统的发展空间［1-7］。根据长江以南高档住宅建筑实际情况，从降低成本和提高效率考虑，提高系统的可靠性和住宅内空气品质的舒适性，进行系统工程优化设计。

1 工程概况

南京市紫澜别墅是一栋位于南京市地理条件优越的鼓楼区。别墅共3层，设有小客厅，大客厅，餐厅，家庭室，卧室，主卧室，衣帽间，厨房，卫生间，洗手间，汽车库等。建筑总面积约460 m2，层高为3 m，总高约10 m。

2 负荷计算

2.1 夏季冷负荷计算

夏季冷负荷主要由温差传热引起的冷负荷，太阳透过外窗的辐射冷负荷，室内发热源引起的冷负荷，人体潜热散湿冷负荷(见表1，表2)。

表1 南京夏季室外气象参数

表2 冷负荷汇总

2.2 热负荷计算

南京地区冬季空调室外计算温度tw=－5℃，其外墙传热系数在前面已经查得为K=1.94 W/(m2·℃)，南京地区的冬季室外风速为2.7 m/s。南京地区门窗缝隙的渗透空气量的朝向修正系数可通过手册［3］查得(见表3，表4)。

3 设备选型

3.1 热泵机组选型

以最大满足需求的负荷来选择机组数量及型号，根据2 400 kW的负荷，选择4台SSDR-1500BHP型双机头热泵机组供暖及制冷。在冬季地下水温12℃时，提取6℃温差，运行1.5台机组，其制热量为1 971 kW;夏季地下水温13℃，35℃冷凝时运行两台机组，其制冷量为2 448 kW。

表3 南京冬季室外气象参数

表4 热负荷汇总

3.2 水泵选型

室内侧系统循环水泵选择:Q=187 t/h，H=28 m，N=22 kW，设计四台，三用一备，冬季运行两台，夏季运行三台。深井泵选择:Q=125 t/h，H=48 m，N=25 kW，设计两台。供暖及制冷系统侧变频补水定压装置:Q=10.8 t/h，H=60 m，N=7.5 kW。设计两套，一用一备。

4 空调风系统的设计

4.1 送风口和回风口的形式

在风机盘管加新风系统中，采用侧送风，用百叶型送风口。回风口附近气流速度衰减迅速，对室内气流的影响不大，因而回风口的构造比较简单，类型也不多，多采用固定百叶型，并要有调节风量的装置。回风口位于房间上部时，吸风速度取4.0 m/s～5.0 m/s;回风口位于房间下部时，若不靠近人经常停留的地点，取3.0 m/s～ 4.0 m/s，若靠近人经常停留的地点，取 1.5 m/s～2.0 m/s;若用于走廊回风，取 1.0 m/s～1.5 m/s。

4.2 风管设计及计算

根据给定风量和选定流速，计算管道断面尺寸a×b(或管径D)，并使其符合通风管道的统一规格。再用规格化了的断面尺寸及风量，算出风道内实际流速。地下室新风管道示意图见图1，地下室管道参数见表5。

图1 地下室新风管道示意图

表5 地下室管道参数

阻力校核:最不利环路总阻力为36.52＜70，符合要求。一层新风管道示意图及管段参数见图2，表6。

图2 一层新风管道示意图

表6 一层管段参数

阻力校核:最不利环路总阻力为31.79＜70，符合要求。二层新风管道示意图及管段参数见图3，表7。

图3 二层新风管道示意图

阻力校核:最不利环路总阻力为28.36＜110，符合要求。

5 地下换热器尺寸的确定及布置

表7 二层管段参数

对垂直埋管系统，在中国采用竖直埋管更显示出其优越性:节约用地面积，换热性能好，所以这里准备采用垂直埋管系统。对竖直埋管系统，并联方式的初投资及运行费均较经济。故本工程设计的地下换热器采用U形管并联系统。本工程利用管材“换热能力”来计算管长，设计时取换热能力的下限值，即25 W/m(管长)，经计算得到管长L=3 359.2 m，确定竖井数目、竖井间距:工程较小，埋管单排布置，地源热泵间歇运行，埋管间距可取3.0 m;工程较大，埋管多排布置，地源热泵间歇运行，建议取间距4.5 m;若连续运行(或停机时间较少)建议取5 m～6 m。本工程管间距取4 m。

6 结语

地下土壤温度受大气温度影响较小，所以土壤源温度相对恒定且有储能的作用，U形垂直地埋管地源热泵较空气源热泵具有工作中不使用通过风机或水泵采热，所以地源热泵工作过程中无噪声，换热器也不需要除霜等优点，是一种环保、节能的系统。南京紫澜别墅采用土壤源地源热泵系统为别墅解决460 m2建筑的夏季制冷冬季供暖，并提供全年室内生活热水和室外游泳池加热，节省能源，这种方法符合我国节能政策。当然，U形垂直埋管式地源热泵也有其自身缺点:土壤的热导率一般来说比较小，而且垂直埋管地埋管的传热系数小，因此需要铺设较大的传热面积，从而与土体进行充分的接触，运行中如果发生故障，因其埋在地下，不易检修。这些是以后研究的方向，也是进一步提高的地方。

［1］陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1995.

［2］艾学良.暖通与空调常用数据手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1995.

［3］电子工业部十院.空气调节设计手册［M］.第2版.北京:中国建筑工业出版社，1995.

［4］赵荣义.简明空调设计手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1998.

［5］王鹏英.上海地区别墅建筑地源热泵空调系统设计［J］.暖通空调，2003(9):81-83.

［6］施秀琴.北京某别墅土壤源热泵空调系统设计［J］.暖通空调，2004(13):54-56.

［7］李新国，赵 军，朱 强.地源热泵供暖空调的经济性［J］.太阳能学报，2001(27):36-37.