土壤源水环热泵在空调系统中的应用
摘 要：本文阐述了水环热泵的工作原理及空调系统特点，分析了水环热泵的应用范围，介绍了土壤源水环热泵在空调中的应用。
关键词：水环热泵， 土壤源水环热泵， 环保 ，节能 ，应用
0.前言
随着人们生活水平提高，消费用电量也大量提高。尤其空调系统用电量在建筑用电中占有不小的比重。为缓解能源危机，21世纪节能技术已经成为社会发展的必然趋势。水环热泵结合浅层地热能的土壤源水环热泵技术得到了较快的发展，其不仅进一步提高了水环热泵系统的性能，也扩大了水环热泵的适应范围，是今后水环热泵技术的发展方向。
1.土壤源水环热泵的工作原理
系统工作：
夏季：水环热泵处于制冷状态，水环路吸收的热量经过循环水泵去冷却塔和地埋管将热量放散到大气和土壤中。
冬季：外区水环热泵向水系统吸热，内区水环热泵可能向水系统放热或吸热，混合后的环路水需去土壤取热量后再次流向水环热泵。
2.土壤源水环热泵的特点
2.1回收余热、节能
土壤源水环热泵是通过一个循环水系统将不同区域的各机组有效地组织起来，冬季会把有的区域热量转移到另外需要热量的地方，从而达到回收余热、节能的目的。
2.2灵活性
安装的灵活性。可以整栋大楼一次完成安装或者根据大楼的租住情况部分安装使用。
运行、管理的灵活性。水环热泵用户可以按照户、层、楼、区域等运行并收取运行费用，不同区域设备故障检修时并不影响其他区域使用。
调节的灵活性。水环热泵可满足同时供冷和供热要求的场合，达到四管制风机盘管系统的效果。
2.3水环热泵系统的主机房占地面积较常规中央空调系统要小很多。
2.4地埋管水环热泵系统冬季运行工况稳定，没有以往风冷热泵的容霜问题，也没有供热锅炉方面的大气污染物排放问题，设备效率较高。
2.5系统设备分散，维修量稍大，系统投资稍多，应根据具体工程情况选用。
3.土壤源水环热泵的应用范围
土壤源热泵系统应用在有内外区的地方时节能效果显著;或需要独立计量控制的项目;无法实现井水回灌、不好设置锅炉房等辅助设备机房的项目;还很适合同时供冷和供热的场所，可以替代常规四管制空调系统。
4.水环热泵结合地埋管的空调系统工程实例
4.1工程概况
工程位于浙江省，总建筑面积18万m2。地下二层，汽车库、商业和设备用房。地上3栋高层办公楼，A楼B楼C楼，每栋26层，高度分别为90.6m;裙房为四层，分别为D楼E楼F楼，功能为办公、报告厅、餐厅，总高度22.2m。空调建筑面积近13万平米。
4.2空调系统设计
本工程选用的是土壤源水环热泵系统，主要考虑因素为以下几点：
① 业主提出A楼B楼C楼为分层出租办公楼，每层电量核算、使用要灵活。
② D楼E楼F楼为人员比较密集的场所，单层面积都超过2000m2，进深较大，近40~50m，存在较大内区，比较适合水环热泵系统。
③ 整个建筑比较紧凑，难以选用合适的锅炉房位置及泄爆口、烟囱位置。
④空调使用时不受室外环境温度影响太大，保证冬季供暖的舒适性。
4.2.2空调水系统原理简图
4.2.3空调冷热源
经计算，夏季空调总冷负荷19624KW，总热负荷10267KW。空调总冷指标149W/m2，总热指标79W/m2。
空调冷热源由水环热泵提供，分体水环热泵主机设置于走道或噪音要求不高区域吊顶内，整体式水环热泵置于空调机房内。水环热泵释放的热量夏季由闭式冷却塔和地埋管系统承担，冬季吸收的热量由地埋管系统承担。
4.2.4空调风系统设计
① 办公、行政中心等小开间区域采用分体水环热泵机组，新风采用全热交换式换气机。展厅、行政中心等大开间区域采用整体机全空气水环热泵机组。
②吊装在吊顶内全热交换式换气机组周围设置隔声维护措施。
4.2.5空调水系统设计
①水系统均为闭式系统。A B C楼分别在地下二层机房内设置板式换热器构成ABC楼用户侧独立循环水系统，解决系统局部压力过大问题。ABC楼板式换热器的一次侧与DEF楼、地埋管、闭式冷却塔构成低区循环水系统。由于低区各系统阻力、流量相差较大，且为了便于进冷却塔和地埋管系统的水量控制，低区设置二级泵系统，地埋管与冷却塔分别设置了定流量带盈亏管的一级泵，ABCDEF各楼各设置变频运行的二级泵。
夏季冷却塔进出水设计温度37/32°C，地埋管侧设计进出水温度35/30°C，板换一次侧进出水温度介于(30~32)/(35~37)°C。板换二次侧设计进出水温度介于(30~32)+1/(35~37)+1°C。冬季地埋管一次侧设计进出水温度15/10°C，板换二次侧设计进出水温度9/14°C。
②水环热泵系统水平主管路和竖向管路均采用同程式系统。
③为防止系统的水力失调，在一级集水器的各回水分支处、每栋楼每层进竖井的回水管分支处设置静态平衡阀。
④ 高区各水系统设置高位膨胀水箱定压。低区水系统在地下二层设置落地式膨胀水箱定压。
⑤高区各水系统设置高压自动加药装置。低区水系统为防止系统事故漏水渗漏到土壤污染地下水，水处理采用旁通水处理装置。
4.2.6地埋管系统设计
本系统设计之前由勘察公司对现场进行了勘察，并打了2口测试井，土壤平均导热系数为1.84 W/m·℃，意味着有较强的地下换热能力，适合做地源热泵系统。地埋管报告结果如下表：
1#井(井深100m，管径d25)
制冷模式
埋管深度 m
夏季换热指标 W/m井深
夏季单孔散热量 W
100
64.3
6430
制热模式
埋管深度 m
冬季换热指标 W/m井深
冬季单孔取热量 W
100
48.2
4820
2#井(井深115m，管径d32)
制冷模式
埋管深度 m
夏季换热指标 W/m井深
夏季单孔散热量 W
115
67.8
7797
制热模式
埋管深度 m
冬季换热指标 W/m井深
冬季单孔取热量 W
115
53.6
6164
根据以上热响应测试报告结合项目的投资费用，地埋管采用双U形式并联设计，井深100m，孔间距4m。每根U型管外径d25。地埋管数量按照空调热负荷结合系统运行时发热量计算，冬季需向土壤吸热量接近7200KW,需井总数1340个，考虑到其它不确定因素留些余量，共设井数1640个。辅助冷源经计算选用4台闭式冷却塔，置于E楼四层屋顶，每台循环水量950m3/h。埋管换热器分配管采用同程形式，分集水器后总管采用异程式，传热介质为水。
4.3空调系统投资
投资项
总投资，万
地埋管及井
1600
水环热泵机组
1830
其它(包括安装、冷却塔、水泵、新风机等)
3190
投资汇总，万
6620
5.结论
土壤源水环热泵与常规水环热泵空调系统相比，节能效果显著。但由于系统投资较常规空调高，对地埋管系统施工质量有一定要求，选用施工队时要考虑队伍的施工能力，设计时要根据勘察资料在有利的自然条件地质构造下，经软件模拟分析、在有适合条件的前提下选用此系统。
参考文献
[1]马最良，姚杨，等.水环热泵空调系统设计[M].北京：化学工业出版社，2005
[2]师晋生.浅层地热能利用技术[J].新能源，2009
[3]宋应乾，龙惟定.吴玉涛水环热泵应用于大型商业裙房的模拟与分析[J].暖通空调，2010
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