某医院地源热泵系统设计与实践

2022-10-18芋艳梅山西职业技术学院山西太原030006

建材技术与应用 2022年5期

□□ 芋艳梅 (山西职业技术学院，山西太原 030006)

引言

随着人类科学技术的进步，现已探测到地表土壤和水体收集了47%的太阳辐射能量，超过人类每年利用能量的500倍，是一个巨大的太阳能集热器。同时，地表土壤和水体是一个巨大的动态能量平衡系统，可以使地表的土壤和水体能量发散和接受的相对均衡。这也使得人类利用储存于地表土壤和水体的太阳能或地表热能得以实现。

地源热泵是一种既可供暖又可制冷的新型中央空调系统，其利用浅层和深层的大地能量，包括地表土壤、地表水和地下水等天然能源作为夏季冷源和冬季热源，然后再由热泵机组为建筑物提供所需的冷量和热量，工作原理简图如图1所示。土壤源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能)实现低温位热能向高温位转移。地源能分别作为夏季空调冷源和冬季热泵供暖热源，在夏季把室内的热量输送到地下去，大地作为容器把能量储存起来；冬季把大地中的热量“取”出来，通过机组少量做功，供给室内采暖。

图1 地热源泵技术工作原理

美国环境保护局曾报道，地源热泵系统是当前可使用且对环境最有效和友好的供冷、供热系统。相比空气热泵系统和电采热技术，地源热泵系统比空气热泵系统节省能源40%以上，比电采热技术节省能源70%以上。可见地源热泵系统是一种费用较低且能向房屋供暖、供冷和提供生活热水的空调系统。地源热泵系统碳排放极低，是一项值得大面积推广的建筑供能技术。

1 工程概况

该项目工程为某医院办公楼，位于山西省太原市。1栋门诊楼，高度为40.8 m，楼层数为10层；1栋研究楼，高度为83.6 m，楼层数为26层，两栋楼总建筑面积约为27 551 m2，带地下停车场，外加1栋3层的模具间。经地质勘探，地下120 m内无岩石，无其他建筑，土壤条件较好，符合地源热泵打孔条件，决定采用地源热泵空调系统解决该医院的夏季制冷和冬季采暖问题。

2 方案编制依据及设计参数

2.1 依据的技术标准

方案设计依据的技术标准有：GB 50019—2015《采暖通风与空气调节设计规范》、GB 50016—2014《建筑设计防火规范》、GB 50243—2016《通风与空调工程施工质量验收规范》和2009JSCS-4《全国民用建筑工程设计技术措施-暖通空调·动力》。

2.2 供热及供冷设计参数

参照当地气象统计资料，供热、供冷计算参数见表1。

表1 供热、供冷设计计算参数

3 设备选型及方案设计

根据建筑冷热量的需求，考虑地埋管所能提供的冷热量，经计算后推荐选择螺杆形式的地源热泵主机作为制冷制热主机，如图2所示。

图2 地热源泵系统图

从图2可看出，地热源泵的工作原理为：在蒸发器和冷凝器两侧安装有8个转换阀门，通过转换阀门进行夏季和冬季切换。夏季时，用户侧和蒸发器连通，通过蒸发器散热，热量传给冷凝器，冷凝器和地源侧连通，通过冷凝器将热量储存到地源侧；冬季时，地源侧和蒸发器连通，地源侧的热量通过蒸发器散热，传递给冷凝器，冷凝器和用户侧连通，通过冷凝器将热量供给用户侧。蒸发器和冷凝器中流动的是经过软化处理的自来水，整个过程以水为媒介，与土壤进行热量交换。

3.1 空调区域的负荷计算及主机选型

根据项目情况进行负荷计算，结果见表2。

表2 项目负荷计算

根据表2的计算结果，需要2台克莱门特地源螺杆机PSRHH.C-Y2502，主机如图3所示，主机设备参数见表3。根据表3，主机总制冷量为1 864 kW(932×2)，总制热量为1 936 kW(968×2)，高于表2中项目所需的总冷负荷量为1 371 kW和总热负荷量为1 790 kW，符合项目使用要求。

图3 地源热泵主机实物图

表3 地源热泵主机参数

3.2 末端设备参数

系统末端均为风机盘管，根据表2的计算结果，拟采用劳特斯风机盘管257台，其参数见表4。

从表4可以看出，主机可提供的总冷量和总热量均大于末端需求量，符合设计要求。

表4 系统末端参数

3.3 地源侧管道计算

该项目中，地源侧管道采取闭式系统，系统采用软化处理后的自来水作为循环水，不受地下水位和水质等因素的影响，循环水系统运行周期长。系统按竖直地埋管双U管考虑，孔深为120 m，地源井所需打孔长度=孔深×孔数，夏季单孔换热按60 W·m-1考虑，冬季按36 W·m-1来考虑。

地源侧管道计算依据式(1)～(4)计算。

Q冬=Q热-P冬

(1)

Q夏=Q冷-P夏

(2)

L冬=Q冬/q冬

(3)

L夏=Q夏/q夏

(4)

式中：Q冬——冬季系统从地下提取热量，kW；

Q热——冬季主机空调热负荷，kW；

P冬——冬季机组输入功率，kW；

Q夏——夏季系统向地下排放热量，kW；

Q冷——夏季主机空调冷负荷，kW；

P夏——夏季机组输入功率，kW；

L冬——冬季从地下提取热量所需的地源井总长度，m；

L夏——夏季向地下排放热量所需的地源井总长度，m；

q冬——单位井深提取热量，W·m-1，按36 W·m-1计；

q夏——单位井深排放热量，W·m-1，按60 W·m-1计。

计算结果见表5。

表5 地埋管计算值

根据式(2)和式(4)计算夏季所需的地埋管总长L夏=(932+155)×2×1 000/60=36 233 m；根据式(1)和式(3)计算冬季所需的地埋管总长L冬=(968-201)×2×1 000/36=42 611 m。

该项目综合考虑夏季制冷和冬季制热，确定井深为120 m，孔数为360个，总延米数为43 200 m，满足冬季制热量和夏季制冷量的需求。

3.4 地源侧管道系统设计

结合其他地源热泵空调系统工程的经验，要利用地下土壤为冷热源，地源热泵空调系统的设计不仅要考虑该建筑的现场施工条件和地下土壤结构，还要结合建筑具体的工程实施情况，尤其是当地地下土壤的物性参数以及地质条件情况。

根据该项目所在地的地质结构和土壤成分，并结合现场情况，埋管区域设计在建筑基础内，减少室外埋管占地面积，室外地埋管道系统设计采用双U型的垂直耦合埋管，可提高埋管换热效率。双U型垂直耦合埋管换热器如图4所示。

图4 双U型垂直耦合埋管换热器图

3.5 机房设计与布置

机房布置在地下一层，设计有一级动力配电柜、地源热泵主机、循环泵、补水泵、补水箱、软化水装置及排水系统，各主要设备如图5所示。其中循环泵分用户侧循环泵和地源侧循环泵，二者的颜色不同。动力配电柜负责为地源热泵主机、循环泵、补水泵、排污泵等机房内其他设备供电。地源热泵主机2台，负责能量转换，最终将冷量和热量输送给用户侧。循环泵共安装8台，用户侧4台，每台为22 kW，负责用户侧水循环，地源侧4台，每台为15 kW，负责地源侧水循环。补水泵2台，分别为用户侧和地源侧补水。补水箱作为用户侧和地源侧补水的水源。排污泵主要对机房内泄水、漏水等废水进行排放。

图5 地源热泵系统控制机房主要设备

4 应用效果

地源热泵技术在该医院自2017年投入使用，已使用5年。总体运行平稳，符合设计要求。夏季室内温度可达到22～25 ℃；冬季室内温度可达到22～26 ℃，全年满足温、湿度要求。由于机组及系统可以实现自动化控制，且不受外管网的影响，可自主决定供热、制冷的时间。

与传统空调相比较，其费用优势如下：

(1)夏季所需总制冷量为1 371 kW。根据空调制冷量标准计算，1P空调最大制冷量为2.5 kW，且1P功率为0.735 kW，空调的总输入功率为：1 371×0.735/2.5=388 kW，使用效率为60%，则每月总用电量为：388×24×30×60%=167 616 kW·h。使用地源热泵夏季的耗电量每月约为70 000 kW·h，低于空调制冷用电量。

(2)冬季所需总制热量为1 790 kW。1P空调最大制热量为最大制冷量的1.2倍，空调的总输入功率为：1790×0.735/2 500×1.2=438 kW，使用效率为60%，则每月的总用电量为：438×24×30×60%=189 216 kW·h。使用地源热泵的冬季耗电量每月约为80 000 kW·h，低于空调制热用电量。

通过对比可以看出，地源热泵是一种低能耗、高效率的空调系统，且不需要室外压缩机或冷却水塔，对建筑外观不会有影响；地源热泵需要的制冷剂比空调机组少50%，CO2排放量低，对环境的影响较低；地源热泵系统可靠性强，维护费用较低，以该医院的地源热泵系统运行为例，其每年的维护费用约为100 000元，仅为同规格传统空调系统的1/3。