【摘要】以武汉市某私人别墅的工程为例，介绍土壤热泵空调工程的设计与应用，叙述了土壤源热泵工程的设计步骤，地埋管的布置，低温热水地板辐射采暖等具体的设计计算方法。

【关键词】土壤源热泵地埋管低温热水地板辐射采暖

引言

随着经济的高速发展和人们生活水平的提高，对供热和空调的需求快速增长，对室内外环境质量的要求也不断提高，供热，制冷的方式越来越多样化。从可持续发展的角度看，采暖，空调用能必须提高能源利用效率，努力寻找可以再生的能源。地源热泵就是一种节能环保型的空调冷热源。

一、工程概述：

本工程为杭州某别墅，建筑面积为约350㎡，空调面积为186㎡，总设计冷负荷为37.2KW，热负荷为14.9KW，根据计算，选用PHNIX地源热泵带热回）中央空调，型号为PWSRW130S-HGL，机组制冷量为40KW,制热量为31.5KW。设计采用的方案为地源热泵（热回收）中央空调系统，夏季利用卧式暗装风机盘管为房间供冷，冬季利用低温热水地板辐射供热，一套系统，两种末端，温度梯度合理，减少能耗，运行经济。

二、方案设计参数及依据

1.空调设计计算基本参数：

夏季

冬季

空气调节干球温度

35.7℃

空气调节干球温度

-4℃

通风干球温度

33℃

通风干球温度

4℃

空气调节日平均干球温度

31.5℃

采暖干球温度

-1℃

空气调节湿球温度

28.5℃

相对湿度

77%

相对湿度

80%

大气压力

102.09KPa

大气压力

100.05KPa

风速

2.3m/s

风速

2.2m/s

2空调设计室内计算参数：

房间名称

温度℃

相对湿度%

噪音dB（A）

夏季

冬季

夏季

冬季

卧室

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

餐厅

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

客房

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

会客厅

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

庭院

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

书房

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

主卧

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

厨房

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

小孩房

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

自由空间

24±1

20±1

≤65

≤45％

≤48

3、空调设计遵守规范和标准

1）、本工程依据建设单位提供的建施图。

2）、暖气与通风工程施工及验收规范

3）、采暖通风与空气调节设计规范

4）、简明空调设计手册（中国建筑工业出版社、第二版）

5）、采暖空调制冷手册（机械工业出版社）

6）、国家现行的其他相关规范及措施。

三、系统设计

1、系统特点：

地源热泵中央空调是以地能(地下水、地下沙土等蕴藏的能量)为主要能源，以电为辅助能源，开发利用地下取之不尽用之不竭的巨大能源、成本低、效果好、性能稳定的一种空调系统。先进的地源热泵空调将地下取之不尽不能直接利用的低位能开发利用，成为可利用的高位能源，它不仅可以满足冬季供热、夏季制冷的需要，又能用来制取卫生热水，解决了洗澡的供水问题，充分显示了其一机三用的优越特性，是一种真正节能、环保无污染的好空调。结合有关地下水井回灌工艺技术，地埋管循环工艺技术，可在地下水源丰富或缺水地区推广使用，广泛适用于商场、宾馆、酒店、洗浴中心、住宅小区、别墅、分层租赁的商务写字楼娱乐场所等各类场所。

2、冷热源系统：

经综合分析，选用型号PWSRW130S-HGL的地源热泵机组作为空调系统的冷热源。该机组制冷量为40KW，制热量为31.5KW，夏季提供7℃/12℃的冷水，冬季提供45℃/40℃。

3、制冷，采暖形式：

根据甲方要求，采用全水系统，水系统为定流量双管制，水管均采用异程式?？盏髂┒宋允桨底胺缁坦?；冬天使用的采暖方式为低温地板辐射。

4、室外地下埋管设计：

4.1、热交换器的形式：

经过多方面的考虑及甲方意见，本工程采用垂直埋管布置方式，单U型管并联同程的热交换器形式。

4.2、管材选择：

一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足，且需要埋入地下的管道的数量较多，应该优先考虑使用价格较低的管材。所以，土壤源热泵系统中一般采用塑料管材。因此，本工程采用的是聚乙烯（PE）管材，它可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上。

4.3、管径确定：

在实际工程中确定管径必须满足两个要求：（1）管道要大到足够保持最小输送功率；（2）管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控制在1.22m/s以下,对更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段压力损失控制在4mH２O/100m当量长度以下。

综上所述，本工程地下热交换器埋管采用管径为200MM。

4.4、地下负荷计算：

冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量?？梢杂上率龉郊扑悖?/p>

由负荷计算得夏季设计空调冷负荷为37.2KW，则冬季设计采暖负荷为14.9KW。由于杭州地区一般夏季负荷比冬季负荷的大，而且冬季单位采暖供热量比夏季的大，故只需计算夏季负荷即可满足冬季采暖负荷。

kW（1）

kW（2）

其中Q1＇——夏季向土壤排放的热量，kW

Q1——夏季设计总冷负荷，kW

Q2＇——冬季从土壤吸收的热量，kW

Q2——冬季设计总热负荷，kW

COP1——设计工况下水源热泵机组的制冷系数

COP2——设计工况下水源热泵机组的供热系数

由公式（1）、（2）计算得Q1＇=46KW，Q2＇=18.4KW。

4.5、竖井埋管管长确定：

地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等。在实际工程中，可以利用管材“换热能力”来计算管长。换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量，一般垂直埋管为70～110W/m(井深)，或35～55W/m(管长)，水平埋管为20～40W/m（管长）左右。

设计时可取换热能力的下限值，即45W/m（管长），具体计算公式如下：

L=Q’1000/45（3）

其中L——竖井埋管总长，m

Q1＇——夏季向土壤排放的热量，kW

分母“45”是夏季每m管长散热量，W/m

经上面计算Q1＇=46KW，代进公式（3）计算得L=1022m。

室外垂直埋管示意图：

4.6、竖井数目及间距确定：

竖井深度多数采用50～150m，在此范围内选择一个竖井深度H，代入下式计算竖井数目:

（4）

其中N——竖井总数，个

L——竖井埋管总长，m

H——竖井深度，m

分母“2”是考虑到竖井内埋管管长约等于竖井深度的2倍。

代进L=1022m,H取60m,则N=8.5个，取N=9个，则实际管长为1080米。

U型管竖井的水平间距一般为4.5m，每一竖井为一个分路。

5、室内地盘管设计：

5.1、低温地面辐射采暖设计及主要技术参数

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本地板采暖系统采用了二次泵系统，配有一个100L的储能水罐。

根据以上条件，查相关资料（见附表1）得出了以下参数：

地盘管进水温度：40℃

地盘管出水温度：30～33℃

盘管间距：200mm

地盘管管径：16mm单个盘管回路长度：小于100米

为了更好的达到要求，还使用某一软件进行校对，校对参数如下：

5.2、各房间地盘管长度：

经过计算，各房间的盘管的长度如下表：

房间名

面积(㎡)

盘管长度(米)

地下一层

餐厅

35

68×2

保姆房

6

客房

12

47

活动室

19

75

一层

餐厅

22

87

客厅

29

57×2

客房

14

55

书房

10

40

过道

7

电视房

11

44

二层

主卧室

26

102

小孩房

13

51

四、生活热水

4、1热水使用概况

本工程的主机选用了带热回收功能，在机组运行的过程中可以得到生活用的热水（夏天制热水费用为0）。

根据甲方提供的参数，每天使用人数为5人，按照每人每天使用100L计算，我们为本工程选用了一500L的304不锈钢整体发泡保温水箱。

4、2热水设计计算

按机组的回收量为20%计算，每个小时回收的热量为40KW×20%=8KW，冬天以5℃的进水温度加热到50℃计算，

由上计算可以看出，要加热500L热水，机组每天只需要运行4个小时就能满足。而且在制冷的季节，制热水的费用为0，也就是说用户可以免费得到生活用热水。

五、小结

本工程采用低温热水地板辐射采暖是一种较好的供暖方式，容易形成舒适的热环境，又利于技能。再加上主机采用地源热泵（地埋管）带热回收，完全取消了生活热水锅炉，既降低了投资，又节省了生活热水运行成本和锅炉水处理及锅炉排烟处理投资，减少了锅炉排烟污染。该系统集节能、环保、无污染等优点于一身，在能源短缺和环境污染日趋严重的今天具有巨大的推广价值。