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浙江陆特能源科技股份有限公司江苏南京 210000
【摘 要】在节能减排的大背景下，国家倡导发展新能源和可再生能源，地源热泵系统技术作为可再生能源的利用，其应用的项目数量和规模近年来快速增加，以某医院项目为例，对医院项目应用地源热泵系统进行分析。
【关键词】：地源热泵系统，地埋管换热器，医院项目
一、前言
有资料表明医院的能耗是一般办公建筑的1.6～2倍，而在整个建筑能耗中空调系统的能耗占到整个建筑总能耗的65%。在当今能源需求不断增长的情况下，“节能”话题成为人们讨论和关注的热点。越来越多的设计师及企业在寻找绿色节能的方法。而地源热泵技术是利用储存在地表浅层的清洁可再生能源---地热，作为冷热源，没有任何污染物排放，是当今最清洁、经济节能的能源方式之一。
二、工程介绍
江苏宿迁市某医院一期工程该项目总用地面积53041.50m2，一期门诊医技病房综合楼，地上十六层，地下一层，总建筑面积61520m2，其中地上面积49520m2，地下面积12000㎡。地下室主要功能为地下停车库，空调机房、水泵房、消防水池；一至五层为门诊办公、手术室等；六-十六层均为普通病房，每层一个护理单元。本项目空调系统采用地源热泵系统+冷水机组的混合式系统。
三、系统设计
1、空调系统冷热负荷
经计算，本工程夏季最大冷负荷为5010kw；冬季最大热负荷为3405kw。
2、空调主机选型
由于本项目冷热负荷相差较大，故选用2台螺杆式地源热泵机组以及一台水冷螺杆冷水机组，螺杆式热泵机组单台制冷量1727.2KW，制冷功率252.8KW，单台制热量1726.3KW，制热功率357.3KW；水冷螺杆式冷水机组制冷量1566.1KW，制冷功率265.1KW。热泵机组通过地埋管系统夏季散热及冬季取热，冷水机组夏季通过冷却塔散热。夏季冷冻水供回水温度为7/12℃，冬季热水供回水温度为45/40℃。
3、空调系统设置
系统配置采用地源热泵+单冷冷水机组+冷却塔混合新能源系统，地埋管数量按系统冬季空调热负荷进行垂直埋管，系统技术原理如下：
夏季，地源热泵机组由地埋管系统冷却制取7℃的冷冻水送至室内末端；
冬季，地源热泵机组由地埋管系统吸热制取45℃的空调热水送到室内末端；
4、地埋管换热器设计
地下土壤作为空调系统的冷热源，其作用相当于换热器，空调系统从土壤取冷/取热，因此地源热泵空调系统的核心技术是地埋管换热器的设计与施工，而地埋管换热器设计成功的关键在于取得可靠的工程所在地土壤热物性参数数据。根据本工程岩土热响应测试勘察报告分析可知，本工程延米取热量为：43.5W/m ；延米放热量为：62.5W/m。设计埋管深度为100m。
经计算本项目设计打孔数量为716口，地埋管设计孔间距4.5m×4.5m，地埋孔设置在周边绿化及基坑内。单口孔水流量为1.02m?/h，根据《地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005》中地埋管换热器内管道推荐流速要求双U型埋管不宜小于0.4m/s，单U型埋管不宜小于0.6 m/s，本工程设计采用双U形式的地埋管，管材选择高密度聚乙烯（HDPE）管材，SDR11系列，垂直埋管直径为De25，垂直孔孔径Φ150，管内流速为0.45m/s。本工程钻孔回填材料采用原浆回填。
5、机组运行策略
由于本项目地源热泵系统能够提供的冷负荷略多于冷水机组系统。实际运行过程中，为保证本系统能够高效、稳定的运行，必须解决“优先开启冷水机组还是地源热泵机组”的问题。
1、主机性能比较
额定工况下，冷水机组与地源热泵机组的能效比基本相同，但冷水机组在部分负荷工况下的能效比具有一定的优势。
2、系统稳定性
采用地源热泵机组需充分考虑室外地埋换热器的热平衡问题，即夏季最大散热量与冬季最大吸热量应尽可能保持平衡，减少室外地埋换热器的热堆积现象。因此为保证室外地埋换热器的稳定性，确保系统正常运行，需根据室外地埋温度场的情况，控制地源热泵机组的使用。
根据上述分析可以得出，应优先开启冷水机組，既能保证系统在较高效率下运行，又能保证系统稳定性。
6、热平衡分析
通过模拟分析得出本项目全年取热量和释热量相差7.17%，满足江苏省《地源热泵系统工程技术规程》（DGJ32/TJ 89-2009）的要求。当地埋管换热系统全年取热量和释热量相差不大于10%时，对系统运行影响不大，不需要采取措施。当热平衡率大于10%时，则应增设辅助热源或冷却塔等满足建筑空调与供热需求。
四、系统经济性分析
本工程采用地源热泵混合冷水机组系统初投资为1679万元，空调造价经济指标为：273元/㎡（建筑面积），若采用传统冷水机组+热水锅炉系统初投资为1548万元，空调造价经济指标为：252元/㎡（建筑面积）。
空调系统的年运行费用计算公式如下：
式中Q为建筑年累计冷热负荷，C为电价（本项目电价按照宿迁市目前的商业电价0.882元/kWh计算）。本项目地源热泵系统实际运行时系统的性能系数COP分别为3.04（冬季）和3.42（夏季），通过计算使用地源热泵系统年运行费用为165.9万元。
冷水机组的运行费用：常规冷水机组系统性能系数COP选取为2.29。通过计算使用冷水机组+热水锅炉年运行费用为208.4万元。
从全年运行状况来看，与传统冷水机组+热水锅炉系统相比，地源热泵系统年节省运行费用42.5万元，节能率达20.4%，因此本项目采用地源热泵系统经济效益明显。结合投资回收期分析数据可知，3.1年就能回收增加的初投资。
五、结论
本项目空调系统的设计，保证了系统的的合理性、高效性特别是节能性。与传统空调相比地源热泵空调系统的节能优势突出，实际工程中拟采用地源热泵作为冷热源时，应该对地埋系统设计、地埋管换热系统热平衡、冷热负荷构成比例等方面综合考虑，以便提高地源热泵系统的可靠性及经济性。
参考文献：
[1]徐伟.地源热泵工程技术指南[M]，北京：中国建筑工业出版社，2001.
[2]马宏权，龙惟定.地埋管地源热泵系统的热平衡[J].暖通空调，2009（01）.
[3]徐玉党，雷飞，王凡.地热源热泵空调系统的技术经济分析[J].应用科学学报，2003，（4），377-380
【摘 要】在节能减排的大背景下，国家倡导发展新能源和可再生能源，地源热泵系统技术作为可再生能源的利用，其应用的项目数量和规模近年来快速增加，以某医院项目为例，对医院项目应用地源热泵系统进行分析。
【关键词】：地源热泵系统，地埋管换热器，医院项目
一、前言
有资料表明医院的能耗是一般办公建筑的1.6～2倍，而在整个建筑能耗中空调系统的能耗占到整个建筑总能耗的65%。在当今能源需求不断增长的情况下，“节能”话题成为人们讨论和关注的热点。越来越多的设计师及企业在寻找绿色节能的方法。而地源热泵技术是利用储存在地表浅层的清洁可再生能源---地热，作为冷热源，没有任何污染物排放，是当今最清洁、经济节能的能源方式之一。
二、工程介绍
江苏宿迁市某医院一期工程该项目总用地面积53041.50m2，一期门诊医技病房综合楼，地上十六层，地下一层，总建筑面积61520m2，其中地上面积49520m2，地下面积12000㎡。地下室主要功能为地下停车库，空调机房、水泵房、消防水池；一至五层为门诊办公、手术室等；六-十六层均为普通病房，每层一个护理单元。本项目空调系统采用地源热泵系统+冷水机组的混合式系统。
三、系统设计
1、空调系统冷热负荷
经计算，本工程夏季最大冷负荷为5010kw；冬季最大热负荷为3405kw。
2、空调主机选型
由于本项目冷热负荷相差较大，故选用2台螺杆式地源热泵机组以及一台水冷螺杆冷水机组，螺杆式热泵机组单台制冷量1727.2KW，制冷功率252.8KW，单台制热量1726.3KW，制热功率357.3KW；水冷螺杆式冷水机组制冷量1566.1KW，制冷功率265.1KW。热泵机组通过地埋管系统夏季散热及冬季取热，冷水机组夏季通过冷却塔散热。夏季冷冻水供回水温度为7/12℃，冬季热水供回水温度为45/40℃。
3、空调系统设置
系统配置采用地源热泵+单冷冷水机组+冷却塔混合新能源系统，地埋管数量按系统冬季空调热负荷进行垂直埋管，系统技术原理如下：
夏季，地源热泵机组由地埋管系统冷却制取7℃的冷冻水送至室内末端；
冬季，地源热泵机组由地埋管系统吸热制取45℃的空调热水送到室内末端；
4、地埋管换热器设计
地下土壤作为空调系统的冷热源，其作用相当于换热器，空调系统从土壤取冷/取热，因此地源热泵空调系统的核心技术是地埋管换热器的设计与施工，而地埋管换热器设计成功的关键在于取得可靠的工程所在地土壤热物性参数数据。根据本工程岩土热响应测试勘察报告分析可知，本工程延米取热量为：43.5W/m ；延米放热量为：62.5W/m。设计埋管深度为100m。
经计算本项目设计打孔数量为716口，地埋管设计孔间距4.5m×4.5m，地埋孔设置在周边绿化及基坑内。单口孔水流量为1.02m?/h，根据《地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005》中地埋管换热器内管道推荐流速要求双U型埋管不宜小于0.4m/s，单U型埋管不宜小于0.6 m/s，本工程设计采用双U形式的地埋管，管材选择高密度聚乙烯（HDPE）管材，SDR11系列，垂直埋管直径为De25，垂直孔孔径Φ150，管内流速为0.45m/s。本工程钻孔回填材料采用原浆回填。
5、机组运行策略
由于本项目地源热泵系统能够提供的冷负荷略多于冷水机组系统。实际运行过程中，为保证本系统能够高效、稳定的运行，必须解决“优先开启冷水机组还是地源热泵机组”的问题。
1、主机性能比较
额定工况下，冷水机组与地源热泵机组的能效比基本相同，但冷水机组在部分负荷工况下的能效比具有一定的优势。
2、系统稳定性
采用地源热泵机组需充分考虑室外地埋换热器的热平衡问题，即夏季最大散热量与冬季最大吸热量应尽可能保持平衡，减少室外地埋换热器的热堆积现象。因此为保证室外地埋换热器的稳定性，确保系统正常运行，需根据室外地埋温度场的情况，控制地源热泵机组的使用。
根据上述分析可以得出，应优先开启冷水机組，既能保证系统在较高效率下运行，又能保证系统稳定性。
6、热平衡分析
通过模拟分析得出本项目全年取热量和释热量相差7.17%，满足江苏省《地源热泵系统工程技术规程》（DGJ32/TJ 89-2009）的要求。当地埋管换热系统全年取热量和释热量相差不大于10%时，对系统运行影响不大，不需要采取措施。当热平衡率大于10%时，则应增设辅助热源或冷却塔等满足建筑空调与供热需求。
四、系统经济性分析
本工程采用地源热泵混合冷水机组系统初投资为1679万元，空调造价经济指标为：273元/㎡（建筑面积），若采用传统冷水机组+热水锅炉系统初投资为1548万元，空调造价经济指标为：252元/㎡（建筑面积）。
空调系统的年运行费用计算公式如下：
式中Q为建筑年累计冷热负荷，C为电价（本项目电价按照宿迁市目前的商业电价0.882元/kWh计算）。本项目地源热泵系统实际运行时系统的性能系数COP分别为3.04（冬季）和3.42（夏季），通过计算使用地源热泵系统年运行费用为165.9万元。
冷水机组的运行费用：常规冷水机组系统性能系数COP选取为2.29。通过计算使用冷水机组+热水锅炉年运行费用为208.4万元。
从全年运行状况来看，与传统冷水机组+热水锅炉系统相比，地源热泵系统年节省运行费用42.5万元，节能率达20.4%，因此本项目采用地源热泵系统经济效益明显。结合投资回收期分析数据可知，3.1年就能回收增加的初投资。
五、结论
本项目空调系统的设计，保证了系统的的合理性、高效性特别是节能性。与传统空调相比地源热泵空调系统的节能优势突出，实际工程中拟采用地源热泵作为冷热源时，应该对地埋系统设计、地埋管换热系统热平衡、冷热负荷构成比例等方面综合考虑，以便提高地源热泵系统的可靠性及经济性。
参考文献：
[1]徐伟.地源热泵工程技术指南[M]，北京：中国建筑工业出版社，2001.
[2]马宏权，龙惟定.地埋管地源热泵系统的热平衡[J].暖通空调，2009（01）.
[3]徐玉党，雷飞，王凡.地热源热泵空调系统的技术经济分析[J].应用科学学报，2003，（4），377-380