某住宅小区地源热泵空调方案研究

摘 要：介绍了南京某住宅小区地源热泵空调系统的方案设计，包括小区建筑空调冷热负荷、地埋管换热系统、辅助冷源、水源热泵机组选择、空调水系统组织、末端空调形式等，并对方案比选中的一些不同选项进行了讨论。

关键词：住宅小区;地源热泵空调系统;方案设计

0  引言

随着经济的不断发展，人们对于住宅的室内环境要求越来越高，空调已成为现代住宅的必要设施。地源热泵空调系统因其节能、改善小区环境及提升住户空调使用体验感等优点，被越来越多的高端住宅所采用。本文介绍了南京某住宅小区地源热泵空调系统方案，包括小区建筑空调冷热负荷、地埋管换热系统、辅助冷源、水源热泵机组选择、空调水系统组织、末端空调形式等，并对方案比选中的一些不同选项进行了讨论。

1  工程概况

住宅小区项目位于国家级新区南京市江北新区核心区研创园板块，项目占地面积约38 260 m2，总建筑面积为135 575.34 m2，住宅区供能面积为85 539 m2。本项目共包含10栋高层住宅、1栋会所及沿街商业。本项目住宅按建筑高度划分可分为两种，其中，1#～6#楼为18层住宅，建筑高度为53.1 m 。7#～10#楼为26层住宅，建筑高度为76.7 m。会所位于地下一层，包括一个25 m×12 m泳池、一个健身房及一个会客室，总建筑面积约1 200 m2。小区住宅区域的空调冷热水及会所区域的空调冷热水、会所生活热水负荷由集中式地源热泵系统提供。住宅室内空调采暖末端形式为风机盘管供冷、地板辐射采暖。

2  空调冷热负荷

2.1  围护结构

本项目住宅围护结构热工性能按《江苏省居住建筑热环境和节能设计标准》（DGJ32/J 71—2014）中的要求选定。围护结构主要热工性能如下：（1）外墙的传热系数为0.58 W/（m2·℃），热惰性指标为2.96;（2）屋面的传热系数为0.48 W/（m2·℃），热惰性指标为3.44;（3）外窗的传热系数为2.0 W/（m2·℃）。

2.2  室内设计标准

本项目室内空调设计参数如表1所示。

2.3  冷热计算负荷

本项目采用华电源HDY-SMAD 4.0全年负荷计算软件，项目设计计算冷负荷为5 815 kW，单位建筑面积冷负荷为65.6 W/m2，项目设计计算热负荷为3 727.2 kW，单位建筑面积热负荷为43.9 W/m2，生活热水负荷220 kW（含泳池初始加热）。

3  复合地埋管换热系统

3.1  设计原则

为了最大限度地利用项目地热资源，地源热泵地埋管换热系统设计原则为：提供住宅及会所的空调、生活热水供热负荷，夏季地埋管换热系统释热能力不足部分由冷却塔分担，冷却塔的容量也能同时满足全年地热平衡需要。通过冷却塔与地埋管复合换热系统运行逻辑的优化，实现全年地热平衡与系统高效运行。

3.2  换热器系统

项目采用双U竖向埋管换热器形式，双U换热器采用工作压力为1.6 MPa、规格为De25的高密度聚乙烯塑料管（HDPE100）制作。小区地下车库底板下的地埋管换热系统换热孔按照4.5 m间距布置。根据《热响应测试报告》，项目采用的双U地埋管换热器单位延米换热能力：夏季工况释热量为65 W/m，冬季工况取热量为41 W/m。經计算，需要设置730口换热井。为监测地温变化，另外设置了4口岩土体温度监测井。

本项目地埋管换热系统每个换热器单元独立接至检查井的分集水器，单个分集水器对应连接20～25个换热器单元。为节省管道长度，降低建筑结构底板下换热管布置难度，每个换热器回路采用异程形式，通过设置于回水管道上的平衡阀进行调节，实现各回路水力平衡。水平地埋管敷设在管沟中。本项目共设置了4个换热单元分集水器检查井，每个检查井内设置若干分集水器。换热井内集管通过穿墙防水套管进入地下室，连接至热泵机房，可实现分区控制。

3.3  辅助换热系统

根据华电源全年负荷计算，本项目全年累计向岩土体释热量为10 590.3 MW，全年累计从岩土体取热量为6 755.6 MW，热不平衡率36.2%。另外，地埋管换热系统不能全部承担夏季空调系统释热量，结合夏季空调系统释热与岩土体热平衡需要，经计算，选择1台500 t/h的冷却塔作为辅助冷源。为减少外界环境对地源侧水的影响，同时为了方便管理与节能需要，选用闭式冷却塔。闭式冷却塔可直接并联连接至热泵机房地源侧分集水器上。根据节能运行原则，当室外空气湿球温度低于地源侧土壤温度时，优先使用冷却塔运行。

4  室内系统与热泵机房

4.1  空调供热末端与水系统

结合项目定位，住宅室内采用风机盘管空调+地板辐射供暖与单向流新风组合形式，分户新风系统配置亚高效过滤器。

由于地板辐射供暖盘管的承压一般不超过0.8 MPa，且《采暖通风与空气调节设计规范》第3.3.9条规定：“建筑物的热水采暖系统高度超过50 m时，宜竖向分区设置”，结合本项目情况，选择空调与供暖共用立管，按供暖系统材质特点，空调与采暖水系统竖向以10层为界分两个区，即10层及以下为低区，10层以上为高区。据此，空调（供暖）水系统有以下3种组织形式：

方案1，在地源热泵机房内集中设置高区空调水系统板式换热器，将高区空调（供暖）水系统与低区水系统及地源热泵机组隔开。低区由地源热泵机组直供，高区通过板式换热器换热后供应。

方案2，在各住宅楼栋内，分散设置高区空调水系统板式换热器，将该楼栋高区空调（供暖）水系统与低区水系统及地源热泵机组隔开。低区由地源热泵机组直供，高区通过板式换热器换热后供应。

方案3，将小区高区空调（供暖）水系统与低区水系统完全隔开，均由地源热泵机组直供，即低区与高区均有分属自己系统的地源热泵机组及配套设施，形成独立系统，取消了为高区设置的板式换热器。为高区服务的地源热泵机组及配套设施工作压力应能适应高区压力需要。

综合项目实际条件，经造价、能效、机房面积、隔声等综合比较，选定方案3。

4.2  地源热泵机房

根据前面的讨论分析，经计算，本项目选用2台额定制冷量为1 469 kW的螺杆式地源热泵机组作为低区空调供暖冷热源，选用2台额定制冷量为1 280 kW的螺杆式地源热泵机组作为高区空调供暖冷热源。地源热泵空调系统设计工况：夏季用户侧供回水温度为6 ℃与12 ℃，地源侧供回水温度为30 ℃与35 ℃;冬季用户侧供回水温度为39 ℃与45 ℃，地源侧供回水温度为10 ℃与5 ℃。空调冷热水系统采用一次泵变流量系统。

会所最大生活热水加热负荷为220 kW/h，平时加热负荷为120 kW/h。配备1台地源热泵高温热水机组，额定制热量为250 kW/h，高温热泵热水机组采用有2个独立回路的双机头机型，以提高系统运行可靠性。

地源热泵机房位于地下一层，与住宅房间有足够距离，同时采取了隔音、隔振设计，避免设备工作时对住户产生影响。

5  结语

住宅采用地源热泵空调技术对于促进节能减排具有重要的意义。住宅小区地源热泵空调系统，冬季采用地板辐射供暖，提高了冬季室内热舒适性，通过降低系统供水温度，从而进一步提高系统供暖能效。夏季采用风机盘管供冷、冬季采用地板辐射供暖形式，水系统设计更为复杂，必须满足地板采暖系统工作压力一般不超过0.8 MPa的要求，同时为减少水力失调，超过50 m的住宅楼，一般也要将水系统竖向分区。高低区可以用板式换热器隔开，也可采用高低区分设独立空调供暖系统的方式。后者，热泵设备投入会相对多一点，但是考虑到机房、中间换热器等综合因素，造价还是比较节省的。采用高低区分设独立空调供暖系统的方式明显提高了系统效率，减少了系统主机及水泵能耗。

住宅采用风机盘管供冷+地板辐射供暖的系统形式，应考虑防止夏季空调冷水进入地板辐射管内。在室内实施水系统切换，公共区域管线可以简单些，但增加了住户使用的难度，所以建议在公共区域，如公共水管井内实现室内水系统切换，这种方式便于物业进行专业化管理，可以提高系统安全性。

住宅建筑地源热泵空调系统方案对系统造价、运行能耗与费用、系统安全性起着十分重要的作用，只有结合项目特点，多方案比选研究，才能最终确定合适的方案，更好地发挥地源热泵技术在住宅应用中的优势。

收稿日期：2020-06-15

作者簡介：朱焕明（1965—），男，江苏宜兴人，工程师，研究方向：建筑设备系统绿色节能技术。