上海弘亚机电工程有限公司
摘要：随着在能源开发和应用领域研究的不断深入，很多新技术和新设备得到了应用，为实现节能减排的目标提供了较多的支持。在暖通空调行业中，很多设备已经达到了较高的效率，在现有技术条件下难以在效率上形成较大幅度的提升。因此在空调系统中可以采用地源热泵，以此可以减少污染气体的排放量，降低了运行的成本。在本次研究中主要以贵阳市第一人民医院建筑空调系统为例进行了分析，详细介绍了地源热泵空调系统的设计原理，确保其在建筑工程中的应用达到更高的效益。
关键词：地源热泵、空调系统设计、医院新建工程、水力计算、节能
前言
随着能源应用形势的日趋严峻，节能减排逐步成为各种设备的应用目标。为了有效地解决能源问题，可再生能源的应用引发了较大的关注。我国在可再生能源研究中投入了巨大的精力，一系列相关的项目陆续实施，以此实现高质量的发展。在国外广泛使用地源热泵的背景下，国内同样开始在此领域进行了研究，采用地源热泵系统具有明显的优势，有助于降低能源的使用，改善环境污染问题，减少运行的成本，因此具有广阔的应用前景。
1 工程概况
本次研究的贵阳市第一人民医院新建大楼总计有12层，地上、地下层数分别是11层、1层，其中地上1~4层主要是医技用房，其他均为护理单元；地下一层主要放置各种设备。工程总用地面积与新建建筑面积分别是16089.2m2、20154 m2。
2 设计条件
本次设计的空调系统主要应用到地上各层，在设计过程中需要先详细分析当地的气候以及地理条件等。从地理位置上来看，贵阳市位于我国的西南部地区，海拔高度大约是1100m，经、纬度分别是106°42′E、26°35′N。夏、冬两季的气压分别是101.325Kpa、102.51Kpa；平均风速分别是3.2m/s、2.6m/s；空调室外计算干球温度分别是34.4℃、-2.2℃。
3 空调系统的方案确定
考虑到本地区的气候条件，在本次设计中选用了中央空调系统。由于行政楼的建筑面积达到了891m2，设计空调冷、热指标分别是128W/m2、99.5W/m2，冷、热负荷分别是114KW、88.7KW。新建建筑的冷、热指标分别是104W/m2、69W/m2，冷、热负荷分别是2100KW、1337KW。冬季与夏季的回水温度分别是45/40℃、7/12℃。根据上述要求，冷热源主要有三台，其中两台是螺杆式风冷热泵机组，其制冷量可以达到865kW；另外一台是螺杆式全热回收地源热泵机组，其制冷量可以达到520.2kW，以此能够满足应用的要求。由于夏季制冷的需求量较大，为了满足整个建筑的负荷要求，设计三台设备同步运行，而地源热泵主机可以将回收得到的热量应用到对生活热水的加热中；在冬季时需要满足建筑的供暖需求，因此白天三台主机同步运行，无须对生活用水进行预热；在其他季节时地源热泵主机无须制冷，主要将其应用到对生活用水的预热中，制冷主要基于两台风冷热泵实现，以满足部分区域的温度控制需求。
4 地源热泵空调系统设计
4.1 对应冷热系统的水力计算
冷热水管供回水管网最不利环路总长度是314m，一般可以根据100m管长的延程损失4mH2O进行计算；
4.1.1 冷冻水泵流量的确定
水泵水量的计算公式如下所示：
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（1）
在上述公式中，1.1~1.2代表放大系数，多个水泵同步运行时取值为1.2；Lmax代表最大的设计流量。由此可以计算出L=1.2×520*0.86/（12-7）=110m³/h，根据计算结果确定采用卧式水泵，一台主用，一台备用，即总共需要两台，以保证运行的可靠性。
4.1.2 冷冻水泵扬程H的确定
（1）水泵扬程H计算公式如下所示：
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（2）
在上述公式中：
Hmax——最不利环路的水压降，mH2O；
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——扬程储备系数，这里设置为
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=1.1。
（2）总压降
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计算公式如下所示：
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（3）
在上述公式中：△P1——地源热泵机组蒸发器的水压降，mH2O；
△P2——并联空调末端装置中损失最大者的水压降，mH2O；
△P3——管件沿程水压降，一般取值为△P3=（1+K）0.04L*mH2O
K——代表局部阻力当量长度总和与直管长度总和之比，需要根据最不利环路长度大小来进行取值，如果其长度较小，则取值范围是0.4~0.6；否则取值为0.2~0.3。
（3）地源热泵机组蒸发器的水压降如下所示：
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（4）
最不利环路的并联空调末端装置最大水压损失的水压降计算公式如下所示：
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（5）
最不利环路的压力损失与总阻力分别为公式（6）、（7）中所示：
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（6）
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（7）
根据公式（2）可以计算出：
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（8）
根据计算结果确定采用卧式水泵，扬程和流量分别是32m H20、110m3/h，一台主用，一台备用，即总共需要两台，以此可以满足使用的要求。
4.1.3 室外地埋管设计
在冬季时，可以利用地下换热器来实现供热；夏季时则将吸收的热量排放到外部土壤中，以此实现热量的转移和存储。地源热泵的运行原理如图1中所示。
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图1 地源热泵系统图
在本次设计中主要利用了中央空调系统，除了能够满足温度调节的基本需求外，还通过热量循环利用的方式减少了使用的能源，降低了成本，并且基本不会对环境产生不利的影响，因此能够有效地改善综合效益。
4.1.4 埋管量计算
1）埋管系统在冬季吸热、夏季放热的峰值分别是395Kwh、637Kwh。
2）夏季与冬季的供、回水温度不同，两季分别对应着30°C/35°C、10°C/5°C。
3）在热交换方面主要利用了垂直土壤地埋管，以此能够充分利用现有的资源，减少了资源的浪费，节约了费用，满足了运行的要求。
4）地埋管设置。
在设置地埋管过程中需要结合现场测试个得到的数据进行分析。已知夏季排出到土壤内的热量较大，远远高于冬季吸收的热量，因此应该基于冬季吸热量来选择地耦换热器。因为依据夏季排放热量设计时会导致热积聚问题。而夏季排出的多余热量可以应用到对生活用水的预热中。根据之前的分析，确定采用De32单U型垂直孔150口，总体呈现”之”字型，孔深度和间距分别是85m、4m以上，基于此设置方式可以达到热平衡的目标。
4.2 地源热泵源侧系统设计
夏季与冬季运行过程中的水流量分别如公式（9）与（10）中所示：
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（9）
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（10）
在上述公式中：
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、
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---分别表示夏季、冬季的水流量，单位是m³/h；
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、
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---代表温度；
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、
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---分别对应着夏季、冬季的高峰负荷637KW、395kW；
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、
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---均为机组性能系数，分别是5.9、4.5。
根据上述公式，可以计算出，
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=128.1m³/h、
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=52.8m³/h。据此应该将地下水总出水量设置在128.1m³/h以上，由此能够满足系统持续稳定运行的要求。
1）扬程：
在确定扬程过程中需要综合考虑到较多的因素，除了对最不利环路管道压力损失进行分析外，还需要考虑到平衡阀等部件的压力损失。
2）闭式水系统冷冻水泵扬程的公式如下所示：
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（11）
3）总水流量：
考虑到水泵运行过程中的衰减特性，需要保证其流量存在一定余量，因此一般略高于系统水量，即设置为系统水量的1.1～1.2倍。
4）水泵流量的计算公式如下所示：
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（12）
根据上述分析主要选择了卧式水泵，采用一主一备的运行方式。
同时冷却水泵需要使用两台，扬程和流量分别是34m、130m3/h，基于阀门可以控制不同水泵的切换，以此满足各个季节的运行要求。
5 结语
本文主要对地源热泵空调系统的应用进行了设计，并以贵阳市第一人民医院新建工程空调系统设计为例进行了分析。在本次设计中采用了全热回收地地源热泵系统，夏季时可以将回收的热量应用到生活用水的加热中，由此实现了热量的循环利用。在冬季时需要满足建筑的供暖需求，因此白天三台主机同步运行，无须对生活用水进行预热；在其他季节时，康复训练区仍然需要制冷，此时的冷源主要利用两台风冷热泵制冷，以满足部分区域的温度控制需求。而地源热泵主机无须制冷，主要将其应用到对生活用水的预热中。采用这种设计方式具有一定的优势，在达到基本控制要求的同时降低了能源的消耗，实现了热量的循环利用，改善了空调系统的运行效益。
医院的新建工程在2017年5月顺利完工之后，已经成功运行一段时间，在空调运行过程中不仅满足了日常温度调节的需求，而且没有出现噪声大等不良问题，因空调引起的投诉事件为零。总之，根据本空调系统的实际应用效果可知，系统除了满足日常使用的要求外，还显著降低了使用的成本，在运行费用上相对于其他的康复医院大约节省了2/5。因此可以将本次设计的空调系统方案应用到此类建筑空调系统的设计中。
参考文献：
[1]吕永军. 某工程采用地源热泵空调系统设计分析[J]. 供热制冷，2011，（12）：60-62.
[2]李竹光. 暖通空调规范实施手册. 2006，（11）：511-522.