重庆某研发中心地源热泵和地板辐射供暖工程设计实例
文章对某研发中心3#楼空调系统的设计方案进行了分析。

该空调系统以地源热泵为冷热源，末端形式为地板辐射采暖和干式风机盘管＋新风机组的热－湿分控技术，预计该空调系统的运行能耗将比现行的公共建筑节能50％的标准有一定的提高。

文章对该空调系统的设计方法及设计要点分别做了详细介绍，以期对类似空调工程的设计有一定参考作用。

1.工程概况
1.1 研发中心的地理位置
某研发中心位于重庆市北部新区经开园C44-1地块,用地总面积为25610m2，总建筑面积为35923.29m2，研发中心由3栋实验科研楼、1栋运动用房、单层地下车库和配套管理用房组成。

地源热泵和地板辐射采暖空调系统主要满足3号楼裙房冬季供暖和夏季空调。

1.2 空调房间室内环境控制要求
根据房间使用功能的不同，室内环境的控制要求亦略有不同。

1.3 重庆气候特点
重庆属于夏热冬冷地区，夏季高温炎热；冬季潮湿阴冷，日照强度低。

春、秋、冬季经常受寒冷空气的侵袭，降温猛烈。

气候条件恶劣。

2.冷热源的比选
空调系统常规的冷热源形式主要有空气源热泵、锅炉＋冷水机组、水(地下水、地面水)源热泵、土壤源热泵等。

空气源热泵是利用环境空气作为热泵机组的热源与热汇，取之不尽、用之不竭。

其缺点主要有：(1)当冬季环境空气温度在4℃左右时，室外侧热交换器盘管表面温度将低于冰点，会出现结霜。

(2)它的出力正好与需求量(冷、热负荷)以及性能系数、能效比值呈反比。

水源热泵机组不存在除霜问题，出力稳定，性能系数、能效比大幅度高于风冷热泵。

但用地下井水时，必须确保有效的回灌措施即不能破坏地下水的原始分布，否则，会引起水资源保护及地质稳定等环境问题。

锅炉＋冷水机组空调冷热源的形式，锅炉在燃烧过程中产生很多废弃，如SO2、CO2、NOX、烟尘等，均会严重污染环境。

该系统需采用冷却塔，室外气温升高，室内冷负荷增大，冷却塔的冷却效率却降低，且存在噪音污染。

地热源热泵机组是利用土壤作热源和热汇，通过在管道里流动的水进行热交换，有很高的能效比，其优点:①高效节能；②环保零污染；③结构简单；④安全可靠；⑤使用范围广泛。

地源热泵系统可以替换原来的锅炉和空调两套系统。

如果有效的使用地源热泵系统，可以降低暖通空调的能耗，从而促进能源、环境与社会之间的可持续发展。

研发中心建筑周围没有可直接利用的水源，为了避免锅炉在运行过程中对大气的污染，为了达到更好的环境效益，结合该建筑周围
的地理环境??建筑周围有大面积可利用的空地以及重庆的气候条件，决定采用地源热泵作为该空调工程的冷热源。

3.土壤源热泵的地下换热器方案确定
3.1 地下换热器打孔位置的确定
在研发中心西北侧有大面积空地，但原地勘资料显示，该空地表面有8～14m不等深度的回填土。

由于土壤的换热性能劣于岩石，且考虑打孔成形问题，需另选打孔区域。

在研发中心3＃楼西南侧和东南侧有可利用空地。

且根据该区域相邻建筑的地勘资料及补勘资料推测该区域应为砂岩和砾岩。

3.2 地下换热器打孔数量的确定
地下换热器的打孔数量需既满足空调系统冷热需求，又要具备良好的经济性，即应合理的确定打孔数量和打孔深度。

在负荷相同时，打孔数量多，则孔深小，占地面积增大；打孔数量少，则孔深大，占地的面积小，但系统阻力增大，提高了换热管的承压要求。

另外竖直地埋管换热器中水温呈一定规律性。

地下换热器的埋管深度由三部分组成??饱和换热层、换热层、未换热层。

随着地下换热器承担的负荷的变化，这三个换热层的深度是动态变化的。

三个区域的大小直接决定了换热器的换热能力。

地下换热系统运行到一定时间后，在冬季和夏季工况下，均呈现出进出水管在一定深度范围内水温变化较小(夏季工况下深度在0～5m，冬季状态下在0～20m)，即换热器的进水管在该区域的换热能力下降。

进出水流体跨越上述范围后，水温变化明显(夏季工况下为5～10m，冬季状态下在20～25m)，
换热能力增强。

因此合理确定地下换热器的深度对保证换热器冬夏良好的换热性能非常关键。

该空调工程的设计总冷负荷为227.2kW，其中潜热负荷为30.4kW，显热负荷为198kW；总热负荷为228kW。

根据该空调工程的负荷，并结合以上分析，确定地下换热器的打孔数的过程如下：
3.2.1 确定换热器埋管形式
根据该建筑周围的地质条件，钻孔易成形，因此本设计采用竖直单U形管地下换热器。

为保持各环路之间的水力平衡，地下换热器采用单个U形管并联的同程式系统。

3.2.2 地下换热器换热量计算
Qk??为建筑热负荷，kW；
COP1,COP2分别为热泵机组制冷、制热时的性能参数。

经计算热负荷大于冷负荷，因此地埋换热管的钻孔按照热负荷来计算确定。

3.2.3 确定地下埋管换热器长度
地下热交换器长度，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，对于垂直埋管，如按井深计算则换热量为70～110W/m井深，如按官场计算则换热能力为35～55W/m管长；对于水平埋管则其换热能力为20～40W/m管长。

3.2.4 孔深和管径的确定
3.2.5 根据《地源热泵系统工程技术规程》GB50366-2005中
4.3.9
条对流速的规定，当管外径选择为32mm(根据GB50366-2005附录
A)，则钻井数为59个，井深50m，井间距4m。

4.空调(地板供暖)方案分析
4.1 冬季采暖系统方案分析
该空调系统冬季由地板换热管承担全部室内采暖负荷，新风系统承担新风负荷。

热水的供回水温度分别为50℃/40℃。

该系统在设计过程中，严格遵守相关标准规范的要求，主要表现在以下几个方面：
4.1.1 室内对流采暖热负荷与辐射采暖热负荷之间的关系
辐射板其表面主要是以对流和辐射、并以辐射为主的方式直接与室内环境进行换热。

因此，在相同舒适度的情况下，辐射采暖时房间的设计温度可以比对流供暖时降低2-3℃(高温辐射时可以降低5-10℃)，从而可以节省供暖能耗。

即辐射采暖热负荷小于对流采暖热负荷。

4.1.2 辐射采暖热负荷与地面有效散热量之间的关系
不同使用功能的房间其辐射地板的有效散热面积不同，导致有效散热量也不同。

该工程在设计时，对不同功能的房间分别考虑了安全系数。

4.1.3 地面有效散热量与楼层间散热量之间的关系
由于地板辐射管不仅向本层室内空间散热，同样会向楼板以下散热。

如果楼板保温隔热措施较好，则此散热量较小，反之则对辐射采暖负荷影响较大。

在设计时，根据房间的使用功能、建筑面积等因素考虑了一定的安全系数。

4.1.4地面有效散热量与地板铺设材料之间的关系
不同的地板表面材料，其导热系数不同，地板换热性能亦不同。

该空调中3＃楼的1、2层的餐厅为水泥地面，3、4层的专家公寓地面材料是地毯。

设计时在计算地面散热量时充分考虑了导热系数的不同而导致的地面散热量不同。

此外，设计时对于地面换热盘管长度、分集水器的回路数、盘管间距等均符合标准要求。

4.1.5考虑热负荷与地面盘管布管间距之间的关系
由于目前重庆地区还未出台有关地板辐射采暖设计的地方技术规程，因此该工程在设计时主要参照北京地区和河北省的相关地方标准。

考虑重庆地区和以上两地区气候条件的差别，地板盘管间距应可适当放宽，但这样就不能充分降低供水温度，即不能明显提高地板供暖系统的能效，也难以达到降低循环水泵运行能耗的效果。

因此在设计时大部分空间均采用常规布管间距(300mm)，在部分以双层中空玻璃为围护结构的房间进深1～2m处布管间距采用200mm，一方面可保证低温采暖，另一方面也可防止人体感觉冷热不均。

4.2 夏季空调系统方案分析
夏季，该空调系统采用热－湿分控技术，即：干式风机盘管承担室内显热负荷(127.2kW)，新风机组承担新风负荷、潜热负荷和部分显热负荷(100kW)。

干式风机盘管的供回水温度可提高到15/20℃，避免了常规风机盘管制冷过程中的再热损失，提高了设备的能效比。

5.主机的选配
主机在选型时，不但考虑热水进出水温差的控制，也考虑了水泵的变频运行与主机的配合。

因此选两台相同型号的热泵机组，其型号为：DRSW-45-1。

单台性能参数为：制冷工况下：Q＝145.1kW，N=24.7kW，COP＝6.14，冷却水流量为30.6m3/h，冷冻水流量为26.2m3/h。

制热工况下：热负荷Q＝171，N=37kW，COP＝4.19, 冷却水流量为31.4m3/h，冷冻水流量为24.6m3/h。

冷热水工况分别为：冬季热水供回水温度为50/40℃，夏季冷水温度为10/20℃。

6.管网系统
为降低水输送系统的运行能耗，该空调系统的室内侧和室外侧水泵均选择变频水泵。

7.总结
7.1 该空调工程由于采用了地板辐射采暖的供暖方式，因此人体舒适性将大大提高。

7.2 地源热泵空调系统的运行费用只相当于常规空调系统的50％－60％，因此该冷热源的应用使该空调工程具备了良好的环境效益、经济效益和社会效益。

7.3 配合建筑方面的节能措施，整个工程的节能率将在公共建筑节能50％的基础上略有提高。