地源热泵空调系统
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2023年2月21日发(作者：六级试卷)地源热泵空调选型分析
发表时间：2019-06-19T14:59:51.737Z来源：《建筑模拟》2019年第17期作者：王强
[导读]地源热泵是一种利用地下浅层地热资源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统。通过输入少量电能，即可实现能量从低温热
源向高温热源的转移。
王强
中海浙江宁波液化天然气有限公司浙江宁波315800
摘要：地源热泵是一种利用地下浅层地热资源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统。通过输入少量电能，即可实现能量从低
温热源向高温热源的转移。是一种在技术上和经济上都具有较大优势的解决供热和空调的替代方式
关键词：地源热泵节能减排
1、项目概况
浙江LNG项目厂前区建筑主要由行政楼、倒班宿舍、综合楼、体育馆等建筑群组成，建筑配置中央空调系统，建筑空调面积约为9900
㎡，系统总冷负荷1517KW，热负荷为934KW，生活热水平均小时负荷为43KW，最高小时负荷为138KW。目前存在几种中央空调设计方案
可供选择，以下对具体方案进行分析。
2、空调系统基本原理及特点
1）空调机制冷的原理
通过空调主机（压缩机）将气态的氟利昂压缩为高温高压的液态氟利昂，这个过程消耗电能转换成氟利昂的热能，高温高压的氟利昂
通过管道输送到冷凝器（室外机）进行散热成为常温高压的液态氟利昂，一般情况下主要是通过与室外的空气进行换热。常温液态的氟利
昂经节流部件使冷凝器回来的高压液体节流降压，常温常压的氟利昂进入蒸发器（室内机），空间突然增大，压力减小，液态的氟利昂就
会汽化，变成气态低温的氟利昂。液化到汽化过程中会吸收大量的热，蒸发器就会变冷。室内机的风扇将室内的空气从蒸发器中吹过，所
以室内机吹出来的就是冷风输送到房间内。然后气态的氟利昂回到压缩机继续压缩，继续循环。压缩机、节流部件、蒸发器和冷凝器构成
了空调系统四大部件。目前市场上常见的中央空调系统均按以上原理进行设计和制造。
在空调机组循环过程中主要消耗的仍然是用以驱动压缩机做功的电能，而决定电能消耗功率的主要因素则与冷凝器的换热效率有关，
这个过程是将高温高压的液态氟利昂通过冷凝器的换热功能对氟利昂进行冷却，当夏天室外空气温度高时，冷凝器的换热效率也大受影
响，很难将氟利昂的温度降低下来，导致进入蒸发器的氟利昂温度较高，室内换热效果差。因此，提高冷凝器换热效率成为研究空调机组
选择的重要因素。
浙江LNG项目接收站位于相对偏远地区，无法利用市政能源，也无法提供足够的场地以利用太阳能，综合考虑，计划从目前市场上比
较常用的空气源热泵、水冷冷水机组和新型可再生地源热泵三种空调系统中选择。以下就选择空调的方案进行分析。
2）地源热泵中央空调
地源热泵中央空调分为水源热泵和土壤源热泵两种形式。水源主要指表层水源，如地表的河流、湖泊和海洋。由于接收站厂前区周边
没有适宜的河流和湖泊，而利用海水也存在影响船舶航行的问题所以不予考虑。厂前区周边有大片的绿化带，为地源热泵的应用提供了可
能。
相对于空气源热泵系统在夏季温度气温高的情况下与空气进行换热，地源热泵技术则是利用相对温度低且恒定的地源形式进行换热。
其工作原理就是：把热交换器埋于地下，通过水在由高强度塑料管组成的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行冷热交换的目
的。通常水源热泵消耗1kW的能量用户可以得到4kW以上的热量或冷量，换热的效率大大提高，无疑将会更加节能。
3、设计方案
浙江LNG项目厂前区工程在建筑周边设置有大片绿化带，绿化带所占用的地表面积正好适合于水平埋管和垂直埋管。水平埋管作为垂
直埋管的汇管并联接地埋管和建筑内空调机组，垂直埋管承担水源换热任务。
3.1机组选型
设备机组的功能特点：螺杆机组能在10%～100%间根据负荷自动调节。根据冷热负荷估算情况，考虑建筑使用时间及热水供应情况，
选用两台制冷量为595KW、制热量为639KW（其中部分回收热量为108KW供生活热水）的部分热回收地源热泵机组，同时配备一台制热量
为60KW的全热回收高温地源源热泵机组，在过渡季节供生活热水使用，在平时亦可弥补生活热水出水温度的不足。普通地源热泵机组生活
热水出水温度可达55度，高温地源源热泵机组出水水温可达60度以上，完全可以满足生活热水的要求。
机组运行过程：冬天热泵中制冷剂正向流动，压缩机排出的高温高压R22气体进入冷凝器向集水器中的水放出热量，相变为高温高压的
液体，再经热力膨胀阀节流降压变为低温低压的液体进入蒸发器，从地下循环液中吸取低温热后相变为低温低压的饱和蒸汽后进入压缩机
吸气端，由压缩机压缩排出高温高压气体完成一个循环。如此循环往复将地下低温热能“搬运”到集水器，从而不断的向用户提供45℃-50℃
的热水。
夏天热泵中制冷剂逆向流动，与用户换热的冷凝器变为蒸发器从集水器中的低温水（7-12℃）提取热能，与地下循环液换热的蒸发器
变为冷凝器向地下循环液排放热量，循环液中热量再向地下低温区排放，如此循环往复连续地向用户提供7-12℃的冷水。
3.2埋管形式
根据地勘报告，埋管深度以45米为宜，根据《地埋管地源热泵技术》的概算指标以及地质勘察报告土质情况主要为粘土，每米孔深换
热量按50W/m计算，因此总埋管长度=1190000W÷50W=23800米、总孔数N=23800/45=528个、孔间距按3.5米考虑，需埋管面积
S=528*3.5*3.5=6468平方米、根据建筑总平面，可将埋管设于绿化内即可满足需求。同时，也可将部分埋管敷设与结构桩内，以减少室外敷
设面积。
由于垂直埋管均敷设于地面2米以下，对其它生活给排水管道、消防管道不会构成影响。
4、经济及环境效益分析
采用地源热泵形式空调与传统空调进行比较，由于地源热泵空调系统与传统空调模式室内部分（空调末端）一致，因此仅比较机房及
室外部分。
夏季空调运行4个月，部分负荷系数取0.7，冬季运行3个月，部分负荷系数取0.6。电价按1元/KWH计，燃油按4500元/吨计。油的折标
煤系数为1.4571kg/kg，电的折标煤系数为0.1229kg/kWh。
比较的结果见下表一。
相对于空气源热泵能量提升机的静态投资回收期
N2=（310-260）/（75-50）=2年
空气源热泵机组由于空气温度变化大，换热效率相对较低，在极端天气往往不能工作，因此，影响了使用功能。同时由于空气源热泵
机组必须置于室外，影响建筑立面，寿命周期短。
地源热泵系统比空气源热泵方案少用300T的标准煤，可分别减少750T的CO2，108T氮氧化物、5.1T的SO2和2.4T粉尘的排放，降低
了对大气的污染，具有很好的环境效益。
5、结束语
因此，综合考虑技术要求、初投资、运行费用、运行的安全稳定性、舒适度以及环保因素，同时考虑国家节能减排的政策，浙江LNG
厂前区项目采用地源热泵系统是合理的。
参考文献：
[1]蔡敬琅变风量空调设计.中国建筑工业出版社，1997
[2]孙一坚工业通风3版中国建筑工业出版社，1994
[3]尉迟斌使用制冷与空调工程手册.2003
[4]赵荣义建明空调设计手册中国建筑工业出版社，2003