基于冷却塔辅助换热的地源热泵空调设计探讨

刘权熠 扈光霞

1 中国建筑设计研究院有限公司

2 北京华清荣昊新能源开发有限责任公司

地源热泵由于利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源进行能量转换而制冷供热，环境效益显著，且其装置的运行没有任何污染，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，维护费用低，已经越来越多地被运用到生活当中。传统的地源热泵空调系统是不需要冷却塔换热，其地下地埋管承担了换热功能，由于地埋管所需要的埋管占地面积大，经常超过建筑本身的占地面积，建筑物越高，建筑面积越大，地埋管所需埋管占地面积越大，因此限制了其使用。本文结合工程应用实际情况，提出基于冷却塔辅助换热的地源热泵空调系统设计思路，以期为以后的地源热泵空调系统设计提供参考。

1 项目概况

该工程位于山东省泰安市，总建筑面积约26285.42 m2，其中，裙楼无地下室，地上共2 层，为办公区，建筑面积约5279.1 m2，主楼地下2 层，负一层为地下车库，负二层为地下车库加空调主机及设备用房，地上共 6 层，其中，1-2 楼为商业区，3-6 楼为办公区，建筑面积约21006.32 m2。

该工程集办公、商业为一体的，各区域空调系统的运行时间有所区别。其中，商业区域的空调系统从早上8:00 至晚上23:00 均有需求。而办公区域仅在周一至周五的工作时间（9:00-18:00）有集中空调需求，但经常有人加班，甚至周末都有零散的空调需求。为方便工作人员能够随时独立，灵活地运行和使用空调系统，对于办公区域，采用多联机空调系统，配置独立的新风系统。而对于商业区域，综合考虑则采用地源热泵+冷却塔辅助换热空调系统，本文重点介绍商业区域的地源热泵+冷却塔辅助换热空调系统设计。

2 空调负荷计算

2.1 空调室内、外设计参数

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）以及山东泰安的气候参数、逐时干球温度和日平均干球温度，确定室内外设计参数[1]，如表1、表2。

表1 室外设计参数

表2 室内设计参数

2.2 全年动态空调负荷计算

利用HDY-SMAD 4.0 空调负荷计算软件，对该工程进行全年8760 h 动态空调负荷模拟计算。裙楼、主楼的空调全年动态逐时负荷曲线见图 1、图 2，分系统的空调最大冷负荷、热负荷见表3。由全年动态空调负荷计算可知，建筑中出现空调满负荷的比例极低，大部分时间内，空调系统负荷低于最大负荷的 50%，因此在配置空调冷热源时，需充分考虑冷热负荷的全年分布状况和全年冷热不平衡问题。

图1 裙楼全年8760 h 动态空调负荷曲线图

图2 主楼全年8760 h 动态空调负荷曲线图

表3 系统空调负荷

3 地源热泵空调系统设计

3.1 地源热泵主机选型

根据负荷计算结果可知，建筑主楼+裙楼办公区域空调总冷负荷为2655 kW，总热负荷为1735 kW。通过对比各地源热泵主机厂家机组参数选型可得，该项目共选用某品牌3 台制冷量/制热量为 975 kW/954.3 kW 的螺杆式地源热泵冷热水机组，夏季空调供回水温度7/12 ℃，冬季空调供回水温度45/40 ℃，冷却水系统采用垂直地埋管土壤换热系统[2]。由于该工程夏季制冷量需求大，考虑到地埋管占地面积及土壤热平衡等问题，本文引入了冷却塔辅助换热系统，以排除夏季冷却水中多余的热量，地源热泵+冷却塔辅助换热空调系统原理图如图3 所示。

图3 地源热泵+冷却塔辅助换热空调系统原理图

3.2 岩土热响应实验及冷却水系统设计

本项目工程总包方委托第三方专业公司对项目区域进行地质勘察，并进行了岩土热响应试验。测试报告显示，本项目所在地土层自上而下分为：1）0～-10 m，泥土层，黄色。2）-10～-105 m，细沙层+粗砂层，黄黑色。场地周围地层的原始地温为17.42 ℃。双U 型DN25 地埋管冬季单位井深换热量为 49.1 W/m，双 U型DN25 地埋管夏季单位井深换热量为64.2 W/m。

本项目地源热泵空调冷却水系统采用地埋管换热系统为主，冷却塔换热为辅的组合换热方式。为了保险起见，在地埋管侧、冷却塔侧均单独设置水泵，采用变频控制，可根据建筑负荷变化进行流量调节，以节省运行电耗。地埋管侧、冷却塔侧均设冷热量计量装置，以监控地埋管全年总释热量与总吸热量是否相平衡。冷却塔通过板式换热器与地埋管侧冷却水系统间接连接，以方便冷却水系统单独定压。同时，将地埋管侧、冷却塔侧水系统分隔开，防止冷却塔中换热的冷却水影响地埋管换热管内的水质。

3.3 冷冻水系统设计

本项目中，综合考虑空调冷冻水系统采用闭式循环两管制变流量一级泵系统（空调主机定流量运行，末端变流量），可根据末端负荷自动调节空调主机开启台数。供、回水总管间设压差旁通阀组，可根据供、回水总管间的压差变化自动调节进入末端系统的水量。冷冻水通过分（集）水器分为二路，分别供主楼和裙楼使用，每一路冷冻水总管上均设冷热量计量装置，以便于分别计量主楼和裙楼的空调系统使用情况，方便分户收费。空调机组、新风机组的水系统采用两管制同程式，空调机组、新风机组的回水管上均设置动态平衡电动调节阀。水系统的定压均采用定压补水真空脱气机组。

3.4 土壤换热系统设计

由参考文献[3]可知，地源热泵空调系统中，垂直埋管由于埋管深度较深，土壤温度相对恒定，取（散）热能力较强，可以达到浅层土壤埋管方式的5 倍以上。本项目工程建筑单体周边的草地、公共绿化带、园区道路下方均可供地埋管使用。为了获取稳定高效的换热效果，以及尽量减少地埋管的占地面积，本项目采用垂直地埋管土壤换热器。

根据相关规范并结合区域内相关项目经验，本项目设计埋管间距为5 m×5 m，采用双 U 型地埋管土壤换热器，钻孔直径φ=150 mm。地埋管管材采用高密度HDPE100 型 De25×2.3 双 U 型，有效深度为 100 m。根据上文中空调冷热负荷计算结果，以冬季需要的供热负荷作为地埋管换热系统的设计依据，在此基础上，计算出夏季对于的换热量，这些多余的换热量则通过冷却塔进行辅助换热，以满足夏季空调的制冷效果及土壤的热平衡要求。

计算可知，地埋管冬季最大吸热量为 1735×(1-1/COP)=1380 kW，地埋管管群附加系数取0.9，同时考虑一定的安全裕量，可计算得出，该工程设计地埋管打井数量为360 口，地埋管换热系统所需占地面积约为9000 m2。

制冷机房内设地源侧总分集水器，室外设5 套二级分、集水器（设检查井），每套连接72 个孔。每9 个孔采用同程式连接，水平横管埋管于地下 2.0 m 以下，二级分、集水器的主管通过水平埋管接至地下室制冷机房。地埋管换热系统工作温度如下：夏季制冷工况下，供/回水温度为 32/37 ℃。冬季制热工况下，供/回水温度为10/5 ℃。地埋管管道平面布置图如图4 所示。

图4 地埋管管道平面布置图

3.5 冷却塔选型设计

由于本项目以冬季需要的供热负荷作为地埋管换热系统的设计依据，在此基础上，计算出夏季对于的换热量，这些多余的换热量则通过冷却塔进行辅助换热，同时也应满足土壤的热平衡要求。本项目经换热量计算及参照厂家选型，采用某品牌型号为BY-150T/R 的开式机械循环型超低噪声横流冷却塔两台，两台冷却塔均放置在裙楼的屋顶，采用变频风机节能降耗，冷却水供/回水温度设计为30/35 ℃。

当热泵机组的进口水温超过某一设定值时，开启冷却塔辅助换热，初始的温度设定值取 32 ℃。由上文可知，我们在地埋管侧、冷却塔侧的冷却水主管上设置了冷热量计量装置。随着地源热泵空调系统的运行，管理人员可以根据往年累积在土壤中的散热量（或取热量）数据，逐年调整此温度设定值，以期能够更好地保持土壤中的热平衡。当累年在土壤中的散热量大于累年从土壤中的取热量时，可降低此温度设定值。反之，则应调高此温度设定值。

4 结论

本文结合工程实践，从空调系统形式选择、空调负荷计算、热泵主机选型、冷冻水系统、冷却水系统冷却塔选型及运行策略等几个方面，简要介绍了地源热泵+冷却塔辅助散热空调系统设计。根据办公楼的人员逐时在室率等条件，对图书馆进行了全年8760h 动态空调负荷计算，并分析了该办公大楼空调负荷的特点，得出以下结论。

1）垂直埋管由于埋管深度较深，土壤温度相对恒定，取（散）热能力较强，可以达到浅层土壤埋管方式的5 倍以上。为了获取稳定高效的换热效果，以及尽量减少地埋管的占地面积，建议在地源热泵换热器的形式选取上，采用垂直地埋管土壤换热器。

2）为保持土壤中的热平衡，对于夏热冬冷地区，夏季制冷需求量相对冬季供热需求量较大时，必须设置冷却塔辅助换热系统，以排除热泵机组夏季多余的热量。

3）地源热泵+冷却塔辅助散热空调系统中，当热泵机组的进口水温超过某一设定值（建议初始的温度设定值取32 ℃）时，开启冷却塔进行辅助换热，并通过分析冷热量计量装置记录的往年累积在土壤中的散热量（或取热量）数据，逐年调整此温度设定值。