某学校地源热泵系统的设计方案
[摘要] 随着我国建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高，而供热系统和空调系统是建筑能耗的主要组成部分，因此，设法减小这两部分能耗意义非常显著。
地源热泵供热空调系统是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的系统。
冬季通过吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供热；夏季向大地释放热量，给建筑物供冷。
与长久以来使用的煤、气、油等常规能源供热、制冷方式相比，具有清洁、高效、节能经济的特点。
因地制宜的发展地源热泵系统，有利于优化能源结构，促进多能互补，提高能源利用效率，保护环境。
本文对位于北京市海淀区某学校地源热泵设计方案进行介绍，并把地源热泵系统与传统采暖制冷方式从技术及经济方面的对比。
选定采用地源热泵系统对建筑物采暖制冷。
[关键字] 地源热泵
项目简介
项目位于北京市海淀区清河龙岗路，总建筑面积43098.80平方米，其中地上部分34193.20平方米，地下部分8905.6平方米，整个校区包括4栋独立建筑（1号楼教学办公楼、2号楼培训楼、3号楼宿舍楼和4号楼食堂、篮球馆）。
一、地源热泵设计方案
各建筑面积及冷热负荷一览表（见表1）
根据表1所述冷、热负荷的计算，需设计配备3台地能热泵机组进行冷热水的制备，机组型号为2台YSSR-1100A/2和1台YSSR-700A/2。
制热量为3224kW，制冷量为2896kW。
冬季机组向末端提供50/45℃的热水，夏季机组向末端提供7/12℃的冷冻水。
根据本工程的特点、工程所在地的地质、水文条件及北京的环境条件，本工程设计采用地埋管式地源热泵。
竖孔设计深度为80m，系统所需地埋管约674孔，竖孔开孔直径为150mm。
孔内设置双“U” 型竖直地埋换热器，换热管采用PE100、管径DN32的HDPE管材。
各孔间距约在4.5米，水平环路集管主干管采用异程布置，分支管采用同程布置。
每一分支管带10～14个竖孔，每一分支管均从集管器或检查井（调节井）引出，所有分支管均可实现控制调节。
二、地源热泵系统与现有主要供暖方式分析
北京市目前可实行的供暖方式主要为市政热力（燃煤、燃气、燃油）、燃煤供暖、燃气供暖、燃油供暖、直接电采暖。
地源热泵供暖属于新兴供热方式，节能环保，这项新技术已经被国家列入大力推广的行列，北京市也将在今后逐步推广该供暖新方式。
现对各采暖方式的利弊进行分析与比选。
1．市政热力：
市政热力是目前城市供暖的主流，大部分靠政府投资建设，部分投资在市政四源建设费中收回。
目前市政热力供暖存在以下缺点：
需国家投入大量的建设资金，后期还需背负运行费用缺口的包袱；
目前城市热网每公里管线供12万平方米，如供暖管线出现问题，将造成大面积的用户停暖；
管线过长，维护费用高，热损失大。
用户对供暖时间无法调控，在北京11月初和3月底经常出现的寒流使用户不得不采取空调、电暖气等辅助采暖办法；
2．燃煤供暖：
燃煤供暖曾经是北京市的主导供暖方式，其运行费用低，但污染严重，能源利用效率低，北京市政府已明确在五环以内及重点区域淘汰10吨以下燃煤锅炉。
3．燃气供暖：
目前天然气供暖已成为替代燃煤供暖的主导方式，运行费用是燃煤供暖的2倍，但其应用受制于燃气管网的建设。
燃气供暖污染物排放程度较燃煤有所降低，主要解决了颗粒物和二氧化硫的污染，但二氧化碳和氮氧化物的污染无法消除。
目前天然气供暖存在的几个不利因素有以下几点：
由于我国是天然气资源的贫乏国家，人均天然气资源占有量仅占世界平均水平的1/20，将这种稀缺的高品级能源作为供暖这样的低品级能源利用，在国内外理论界还存在争议。
特别是现在一些新见工程中，将本应用在独立、分散建筑物的燃气壁挂炉供暖集中应用，能源利用率低，即不环保又不经济，每年还会发生若干起爆炸事故，造成人员伤亡。
另因，目前北京天然气的季节调峰能力差，冬、夏季用气负荷极不平衡，故而必须限制天然气供暖的建筑规模、性质，保证以天然气为燃料的热源稳定供热。
天然气作为易燃、易爆的物质，在输送和使用过程中存在巨大的安全隐患，战争、恐怖袭击、盗窃、地震、意外事故均会造成较大破坏甚至灾难，目前陕甘宁长距离输气管线属单线供气，一旦冬季管线出现问题，半个北京城的供暖将无法保障。
4．地源热泵系统供暖制冷：
初始投资少：
地源热泵系统的初始投资少，主要缘于以下因素：
同一系统，三项功能。
同一系统能实现冬季采暖、夏季制冷和日常提供生活热水等三项功能；
建设内容简化。
地源热泵系统，不必增设锅炉房、燃料储存场和材料运输的通道，不必配备特殊的消防装备，不必对配电系统做大规模的增容，机房建筑面积配备较小；
动力费用低：
地源热泵系统在采暖季主要依靠土壤中的低位热能来供暖，用1度电即可得到４度电的供暖效果。
采暖期电费相当于政府规定的北京地区冬季采暖收费标准（19-24元／季·平方米）。
实行电采暖低谷用电每千瓦时0.20元的优惠政策后，地源热泵系统系统的运行费用将进一步降低。
制取生活热水的热量主要来自室内的空气，成本更低廉。
在夏季制冷时，由于地下水温度较低，制冷效率高，运行电费约为分体空调的一半，节约了用户的开支。
运行安全可靠：
地源热泵系统在运行过程中不产生高温、高压气体或液体。
换热系统全部是封闭循环，是现有供冷、暖系统中最安全可靠的的一种节能方式，并可降低维修成本。
零污染：
地源热泵系统在运行过程中，无燃烧、无任何固态、液态和气态污染物的排放，也不排放造成温室效应的二氧化碳（CO2）等，故称“绿色” 的供冷、暖系统工程，不仅保护环境，还可省掉环保设备的投资。
三、地源热泵方案与常用供暖制冷系统方式的运行费用
现有常用的供暖冷系统有电锅炉+空调，燃气锅炉+空调，燃油锅炉+分体空调等。
据有关统计资料看，使用地源热泵系统无论从初始投资还是从后期的运行费用来看，都有很大的优势。
1.总成本：
地源热泵系统初始投资少，一般住宅在285元/m2 以内；一般公共建筑在380元/m2以内。
供暖、冷、热水条件下所需投资：
若地源热泵系统所需投资为100元，则:
·电锅炉+ 空调>140元
·燃气+ 空调>150元
·燃油+ 空调>140元
2.运行费用：
本项目的采暖制冷的经济运行分析，因本文篇幅有限，详细计算不在此叙述。
（一）地源热泵地源热泵系统（见表2）
（二）燃气锅炉采暖运行系统（见表3）
（三）普通空调机组制冷运行系统
1.分体空调：（见表4）
2.螺杆式冷水机组＋冷却塔：（见表5）
3.不同供冷暖系统运行费用比较：
各种不同供冷暖组合系统，综合考虑各种费用计算其年总成本（以2003年为参考）和单位面积年供冷暖费用。
表3 -6列出了四种不同供冷暖系统年总成本和单位面积年供冷暖费用的统计比较。
由表6-1可见：若采用“单位面积年供冷暖费用”为评价标准，对冬季供暖，夏季制冷组合系统作技术经济评价，在上述四种供冷暖组合系统中，燃气锅炉+分体空调单位面积的年供冷暖费用最高（66.6元/年·m2），地源热泵系统单位面积的年供冷暖费用最低（35.2元/年·m2）。
四、结论
通过地源热泵系统与其它传统采暖制冷方式在技术及经济方面的对比，可以得出
1．热泵系统是利用低温热源进行供热制冷的新型能源利用方式，与使用煤、
气、油等常规能源供热制冷方式相比，具有清洁、高效、节能的特点。
因地制宜地发展热泵系统，有利于优化城市地能源结构，促进多能互补，提高能源利用效率。
2.本项目在建设中应用地源热泵系统，不仅能够解决校区各建筑工程的冬季供暖、夏季制冷的需求，还可实现环保和节能等要求，具有明显的社会效益和环境效益。
3．本项目采用的地源热泵系统，在技术方案和建设条件上可行，不需单独建设建筑物，水、电等各项配套需求均可与新校区的建设同步实施。
通过上述比较，本项目最终选用地源热泵系统供暖制冷。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。