地源热泵设计方案.docx

地源热泵中央空调方案

XXX环境有限公司
2009年08月28日

目 录
一、 空调系统方案推荐
（一）工程概况
（二）可用于本项目的空调方案
（三）适用本项目的几类空调方案的比较
（四）选用建议
二、 地源热泵推广及选型设计
（一）地源热泵空调系统简介
（二）同方地源热泵机组组特点
（三）空调设备选型设计
（四）地埋管换热系统设计选型
（五）土壤换热平衡的分析
（六）主要设备表、运行费用分析及工程预算
三、 地源热泵系统设计与安装
（一）地源热泵系统设计与安装关键
（二）室外地埋管换热系统的主要施工工序及注意问题
（三）室外垂直埋管系统的施工工艺
附件一：技术支持单位概况
附件二：相关设计图纸

一、空调系统方案推荐

<一>工程概况
城市：XXXX
项目名称：XXX国际精品城1#楼中央空调工程
项目简介：
该建筑集商铺、办公、餐厅、会议为一体多功能国际精品城，建筑面积约8760平方米，空调面积约6473平方米，拟采用地源热泵机组进行夏季供冷，冬季供暖。室内末端拟用风机盘管系统，局部拟用全空气系统实现室内的冷热需求。

<二>可用于本项目的空调方案

1. 冷水机组+燃气锅炉
制冷机采用电制冷（压缩式）冷水机组（1台离心1台螺杆制冷机组）。夏季制冷，由电制冷（压缩式）冷水机组提供冷源；冬季由工业场地锅炉房（或热电厂）提供的0.6Mpa蒸汽经换热器交换进行空调采暖。大楼空调系统采用风机盘管加新风系统或全空气处理空调系统。
两套水换热器：冷凝器、蒸发器；通过冷却塔冷却主机的冷凝器；通过蒸发器为室内末端提供冷冻水。
空调机组只能制冷，冬季采暖需要别的热源。
2. 风冷冷水热泵机组
风冷冷水热泵技术是一种消耗少量清洁能源（电），充分利用空气中的冷、热能资源制成冷热水供空调空间使用的空调方式，已经得到了专家、政府和社会各界人士的肯定，风冷热泵作为替代传统空调方式的优选方式之一，已是不争的事实。
空调机组夏季制冷，冬季采暖，冷暖两用型。
3. 地源热泵空调机组
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。其节能性能更优于风冷冷水热泵。
地源热泵机组的运行靠少量的电力来驱动，它的工作原理是通过向机房系统内的热泵机组输入一定电能驱动压缩机做功，使机组中的介质反复发生蒸发吸热和冷凝放热的物理相变过程，从而将地源系统中的能量提取和传导到用户系统，实现空间上的热量交换和传递转移。
在冬季，把土壤中的热量“取”出来，提高温度后供给室内用于采暖；在夏季，把室内的热量“取”出来释放到土壤中去，并且常年能保证地下温度的均衡
地源热泵供暖空调系统主要分三部分：
1）、室外地能换热系统（地源）
2）、水源热泵机组（机房）
3）、室内采暖空调末端系统（用户）

根据地源热泵空调系统的取热(冷)源方式不同可以分土壤源热泵和水源热泵两种形式：
土壤源热泵是以土壤、岩石等为热(冷)源的空调系统。在此系统中，地下换热器通常采用承压力性能高、耐腐蚀的PE管，在工程安装时人为的向管内注入自来水，水在管内循环，通过管壁把大地的热量与房间热量相互交换。这种形式的地源热泵系统具有使用寿命长，不受水源限制的优点。
一个地源热泵项目选用应用形式时应从水源、建筑占地面积、初投资、使用寿命、机组效率等几方面仔细比较，选出最适合自身建筑的空调系统。
地源热泵技术的最大优点主要有以下七点：环保、节能、运行费用低、维护费用少、一机多用、操控安全、空气品质高。

<三>适用本项目的几类空调方案的比较

280元/m2
300元/m2
360元/m2

25-30元/m2
30-35元/m2
15-25元/m2

<四>选用建议
选用方案一：水冷机组加锅炉的方案，投资省，夏季运行费用低，但冬季增加辅助供热后运行费用会增高至与风冷热泵持平状态。且冷却水系统为开式易受污染，运行维护成本高。
选用方案二：风冷冷水热泵机组方案，投资略高，运行费用略高；但从空气中取热，无污染比较环保。
选用方案三：地源热泵机组方案，投资略高，运行费用低，和其它空调比可节约30%-40%的运行费用；地下换热器与土壤和岩石进热交换，无污染且不受天气的影响，无冬季除霜造成的供暖量衰减。
综合分析我们推荐用户：首选地源热泵系统，其初投资虽然略高一些，但与其高节能性及运行稳定性相比还是无可挑剔的，且高出部分的投资会在几年内就可收回。
从本建筑体量上考虑，可选用模块化的地源泵机组较为合式，且机组尽量不占用室内用房面积较为合理。优选模块式地源热泵，其占用机房体积小。其次可选风冷模块冷水热泵机组，可冷暖两用且不需要机房，只要置于屋面上即可。
随着空调工业的发展，先进的中央空调系统不断的出现，空调在现代建筑中扮演着越来越重要的角色。人们对空调的要求也不断提高，节能、环保、灵活成为今后共同追求的目标。近年来，随着国际经济技术合作的不断深入，地源热泵中央空调系统进入了我国，并通过在工程中的成功运用得到了空调界人士的认可和推崇，成为了我国中央空调发展的趋势，体现了节能、环保、灵活、舒适的新概念。美国环境保护局已经宣布，地源热泵系统是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。
地源热泵是利用地表层土壤、岩层、地下水、江河湖海中获取能量的供热、制冷机组。该热泵耗1KW的电能，可以获得了4KW左右的热量。低温地能指的是地壳表层10-100M深处（一般在7℃－20℃左右）土壤层中所含能量，由于地壳质量巨大，其热能量是源源不断的，永不枯竭的。可广泛应用于全国各地的集中或分散供热采暖及制冷、热水供应、洗浴、游泳、室内种植、养植等。

二、地源热泵推广及设计选型
（一）水/地源热泵空调系统简介
1、背景
环境污染和能源危机已成为当今社会的两大难题，如何在享受的同时付出最少的代价逐渐成为人类的共识，在这种背景下以环保和健康为主要特征的绿色建筑应运而生。尽可能少地消耗能源为建筑物创造舒适环境已经成为空调的发展方向，开发利用天然的冷/热源能够为空调带来节能和环保双重效益，因而越来越受到人们的重视。地下土壤层是一个巨大的天然热源，其热惰性极大，全年的温度波动很小，一般说来，地表50m以下可常年维持在该地区年平均温度左右，是一种理想的天然冷热源。

2、水/地源热泵简介
水/地源中央空调系统是一种从地下土壤/地下水中提取热量的高效、节能、环保、再生的供热（冷）系统。该系统是成熟的热泵技术、暖通空调技术配套地质勘察成井技术于一体，在相对稳定的土壤温度下高效、稳定、经济的运行。地源中央空调系统是由末端（室内空气处理末端等）系统、地源中央空调主机（又称为地源热泵）系统和地埋管或井水换热系统三部分组成。为用户供热时，水/地源中央空调系统从土壤/地下水中提取低品位热能，通过电能驱动的地源中央空调主机（热泵）“泵” 送到高温热源，以满足用户供热需求。为用户供冷时，中央空调系统的冷凝热量通过地源中央空调主机（制冷）转移到土壤/地下水中，以满足用户制冷需求。
水/地源热泵是利用了大地土壤所储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的冷暖空调系统。地表土壤不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500倍还多，而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和地下水体自然地保持能量接受和发散相对的均衡。这使得利用储存于其中的似乎无限的太阳能或地能成为可能。所以说，地源热泵是利用可再生能源的一种有效途径。

3、地源热泵中央空调系统的工作原理图

 4、地源热泵特点
环保洁净
1. 没有燃烧过程，避免了排放任何烟尘及有害物质，社会效益显著。
2. 以地表土壤为源体，向其吸收或放出能量，介质水在埋设于土壤中的密闭系统中循环，即不消耗地下水资源，也不会对其造成污染。
3. 省去了锅炉房供暖系统和夏季空调运行的冷却塔。
节能经济
四、 能源利润率为传统方式的3—4倍，投入1KW的电能可得到4—5KW以上的制冷或供热的能量。
灵活安全
² 真正做到“一机两用”。利用地下土壤热能，热泵冬季向建筑物供暖，夏季向建筑物供冷，提高了设备的利用率。
² 机组可灵活地安置在任何地方，节约空间。系统末端亦可作多种选择。
² 无储煤、储油罐等卫生及安全隐患。
² 机组运行自动化程度高，无需专业人员操控。
运行可靠
机组的运行工况稳定，几乎不受环境温度变化的影响（土壤恒温）。即使在寒冷的冬季制热量也不会衰减，更无结霜除霜之虑。
地源热泵的优点分析
◇ 高 效 供热系数可高达4.3(正常为3.5-4.5)，即输入1KW电能可产生4KW的热量。
◇ 运行费用低 比燃煤采暖还便宜，因为利用地下土壤、岩层、地下水、江河湖海中的热能占总热量的70-75%。就是说，机组在制热过程中，有70-75%的燃料是不用花钱的。每平方米建筑面积供暖运行费只有11.37元，若按22元/m2收费标准计算，1万平方米的建筑，一个采暖期可节省采暖费10万元左右。
◇ 无任何污染 由于该机组在制热过程中无任何燃烧。１万平方米的建筑物一个采暖期，即可节煤350吨，可减少烟气排放量385万立方米。
◇ 占地面积小 地源热泵机组占地面积为锅炉用地的1/10-1/15。以一个10万平方米
小区为例，机房面积仅100平方米就足够用，而建锅炉房则需占地至少1000平方米。对3.5万平方米以上的小区，可省出一栋楼的位置，可建2000－5000平方米的住宅，其剩余价值足够安装使用地源热泵供暖系统的费用。
5、地源热泵中央空调的应用前景
1）.本项目是一种利用低位能源（空气、土地、水、太阳能、工业废热等）代替高位能源（煤、石油、电能等）以实现节能目的的高新技术。由于其所具备的高热能转换效率（1：4），无污染，运行成本低，便于物业管理，系统使用寿命长等特点，备受世界能源、环保组织和发达国家推崇，并被市场广泛接受。自八十年代以来，年增长率一直保持在20%以上。如美国，85年只有14000台水/地源热泵，99年末统计，已安装了400000台。水/地源热泵系统已占空调总保有量的20%，其中新建筑中占30%。由此可降低温室气体1百万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放，年节约能源费用达4.2亿美元。美国的水/地源热泵研究和应用偏重于住宅和商业小型系统（60KW以下）。而中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家则偏重于大型机组。据99年统计，水/地源热泵在新建房屋中的利用率，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。
2）.在未来的几年中，中国面临着巨大的能源压力。中国经济在保持较高速度增长的同时,必须考虑环保和可持续发展问题。所以要求提高能源利用率，要求能源结构调整。调整能源结构的方向就是从以煤为主转为以燃气、电为主。国家建设部1999年提出在10年内建筑节能效率要在现有基础上提高50%；北京市政府已明令在四环以内，撤掉所有燃煤锅炉，在三年内改造1000万平方米建筑取暖方式，使用清洁能源。我国目前集中供暖单位建筑面积平均能耗是气候相近发达国家的2-3倍。
3）.据调查统计，我国住宅空调安装率迅速增长。上海居民住宅空调拥有率已超过60%，北京34%，城镇居民拥有率20%，空调成为冰箱、彩电后普及的又一种主要家电。这样，对于黄河、长江中下游地区的城市，住宅环境就不再仅仅是采暖问题，而是要满足统一考虑采暖和空调需求的综合性问题。为此，采用具有诸多优势的地源热泵方式将成为这种需求最具竞争力的建筑供热空调方式。

6、政府支持
地源热泵空调系统在北美和欧洲取得了迅速发展。瑞士96%新居民住宅和50%新建筑都安装了地源热泵系统。在加拿大、意大利、奥地利、瑞典，地源热泵系统都有广泛的应用。热泵系统可以运行30年到50年不出问题。到目前为止，美国的热泵已经成功运行了50年，而且还在继续运转。意大利、瑞士都用了30年也没出问题。由此可见，地源热泵中央空调应用技术十分成熟，节能、环保效益显著。因此，我国政府对此给予高度的重视和政策支持：
国发〔2007〕17号国务院关于印发中国应对气候变化国家方案的通知：
“积极推进地热能和海洋能的开发利用，推广满足环境和水资源保护要求的地热供暖、供热水和地源热泵技术，研究开发深层地热发电技术；在浙江、福建和广东等地发展潮汐发电，研究利用波浪能等其他海洋能发电技术。”
建设部贯彻落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》加快创新能力建设 促进建设事业又好又快发展：
“积极推进“可再生能源在建筑中推广应用项目”的实施，开展太阳能光热、光电、地源热泵和水源热泵规模化应用的城市级示范，带动具有自主知识产权的相关技术集成与开发及相关产业的发展。”
北京市“十一五”时期能源发展及节能规划
“积极推广热泵、分布式能源等新技术供热，实现可再生能源供热面积4000万平方米，约占全市总供热面积的6%，其中地热采暖500万平米、地源热泵采暖3500万平方米。”
同时，北京市政府为了支持鼓励应用地源热泵采暖技术，制定了相应的奖励政策：
（京发改〔2006〕839号）关于发展热泵系统的指导意见：
“按照我市能源发展战略、城市供热发展规划和合理开发、利用、保护资源的原则，优先发展再生水源热泵，积极发展地源热泵，适度发展地下（表）水源热泵，逐步提高热泵系统在城市供暖中所占比例。供热制冷系统选用热泵系统的，根据市规划委核定的建筑面积从本市固定资产投资中安排一次性补助，补助标准为：地下（表）水源热泵35元/平方米，地源热泵和再生水源热泵50元/平方米。”

7、结束语
地源热泵采暖技术在发达国家已经有了几十年成功应用的历史，我国引进并成功应用此项技术也有二十多年的历史。近几年，随着我国经济的不断发展，能源需求以及环境保护的要求越来越多地引起社会的广泛关注以及政府的高度重视。节能减排已经成为我国政府促进经济发展的核心问题。据统计，我国建筑能耗占全社会终端能耗的21%，因此建筑节能具有巨大的节能潜力。而地源热泵中央空调采暖技术作为高效节能的成熟技术在建筑节能领域有着举足轻重的地位。到目前为止，北京市已经有500万平方米的建筑采用了地源热泵中央空调采暖，距北京市“十一五”时期能源发展及节能规划中要求的3500万平方米的目标还有很大的差距。因此地源热泵中央空调采暖技术的推广应用有着广阔的市场前景。

（二）XX地源热泵机组特点
本项目用SGHP螺杆式高效地源热泵机组特点

1.1
l 完全遵照国际标准，结合中国国情设计，结构紧凑，占地小，安装简便。
l 冷媒系统的设计采用独立的模块化思想，系统部件数量少而品质精良。
l 能效比高。冬季制热工况，能效系数COP值（供热量与输入功率的比值）约为4.0—4.6 之间；夏季制冷工况，能效系数COP值（制冷量与输入功率的比值）约为5.5—7.2之间。
l 计算机辅助最优设计，保证机组在任何工况下均处于最佳运行状态。
l 机组具有压缩机排气超温、电机超温、冷水防冻温度保护；过电流、缺相、逆相、过载电气保护；冷媒系统高低压、油位、油压差、断水异常状态保护等多重保护功能。
1.2
A、压缩机：
l 压缩机选用进口品牌螺杆压缩机。具有特殊高效的制冷能力和COP值以及更长的运行寿命。单台压缩机累计运行时间不低于60000小时。采用经多年验证的高质量材料和零件，结构可靠耐用；并且安全保护功能完备。
l 使用R22制冷剂。

B、壳管换热器：
壳管换热器是XX与国内著名专业配套厂商（上海环球）共同开发研制，专门为XXSGHP水源中央空调机组特殊设计生产。其特点是：
l 换热器换热效率高（换热效率比同类产品高20~30%），能适应恶劣的水路环境，便于拆洗维护。
l 制冷剂侧和水侧阻力损失小，结构紧凑，筒体采用优质钢板卷筒焊接而成，承压能力高，气密性好，运行安全可靠、高效。
l 蒸发器、冷凝器、管路等外包软质闭孔橡塑绝热保温材料，有效地防止了蒸发器和机房外界空气的传热，降低了能量损耗。

C、制冷管路配件
制冷配件选用世界著名制冷配件厂商生产的产品，性能稳定，可靠性高。

（1）制冷管路配件
l 使用范围广，安装方便快速。
l 管道与感温包之间传热良好、热平衡冲注，功能稳定，结构紧凑。
l 钎焊焊接接口：一体式热力执行元件、最佳密封效果。
l 激光焊接的不锈钢感温元件：保证最佳调节功能、动作迅速、膜片寿命长、耐压强度高、耐腐蚀。
l 双平衡阀口设计，宽广的负荷为蒸发温度，冷凝温度范围提供准确可靠的控制，特别适合夏季制冷、冬季制热的水源中央空调

（2）干燥过滤器

干燥过滤器选用高效过滤芯，对系统内的水分和酸性物质具有极强的吸收能力，保证整个系统安全、可靠的运行。视镜—准确的水分显示，采用玻璃整体焊接，不存在泄露问题指示剂对水和酸性物质具有抗腐蚀性，因此使用寿命长，压力损失小。

（3）电磁阀
l 阀体结构紧凑，体积小。
l 直接导通，动作快捷，无须外力引导。
l 工作压力范围广，制冷剂经过该阀时压力损失小。
l 性能可靠，使用寿命长。
1.3
水地源热泵机组电控部分主要部件均来自国际名牌供应商，性能稳定，可靠性高。例如：接触器为法国施耐德，母线式刀熔开关为德国维那尔鑫宝，接线端子为德国凤凰端子。机组的核心控制部分为我公司与意大利CAREL公司联合开发的水源热泵专用控制器，其中硬件部分使用CAREL公司成熟的PCO系列微电脑控制器，结合我公司自己开发的水地源热泵专用控制程序使机组在智能化和网络化方面优于其它同类机组。本控制器主要具有以下特点：
1) 先进的输入输出口管理。控制器具有8路模拟量，12路开关量输入；13路开关量，2路模拟量输出。可检测和控制机组的各种工作状态。
2) 完善的信息显示。控制器采用LCD液晶显示屏，可以显示每台机组的工作状态、测量参数、报警信息、维护信息以及各种内置参数的设定等。全部显示均为文字信息，清晰直观。
3) 灵活方便的参数设置。控制器具有八十多个可以改变的内置参数，通过这些参数的设定可随时调整机组的工作状态，以使机组更加适应用户的现场需要。
4) 先进的口令操作管理。控制器具有三级口令操作，针对不同的对象限定了不同的操作权限，以确保机组不会因误操作而损坏。
5) 可方便的升级为网络控制管理。当有多台机组时，利用控制器的网络管理功能可以方便的构成一个局域网系统。使整个系统可以由一个或几个手操器控制，从而使多机系统具有了轮值，备份及远程控制等先进功能。还可以连接网络打印机随时记录各种所需信息。
6) 可简便的接入小区智能监控系统（BMS）。通过控制器的网络功能可以组成集中控制和远程控制系统，实时监视设备的运行状态。这些设备可以是本地的也可以是异地的（通过调制解调器和公共电话交换网）。通过相应的附件可以将这些数据转换为与大多数的楼宇控制系统相兼容，从而可方便的接入楼宇控制系统。
1.4
由于XX水地源热泵机组的合理的优化设计，精良选料，以及先进的控制技术，完善的电脑控制和多重保护，使得整机运行安全可靠。使用寿命可达15年以上。

（三）空调设备设计选型
1、 冷热负荷的确定
该建筑总空调面积约6473m²，根据本地区的气候特点，参考暖通空调设计手册中对不同建筑类型冷热负荷所要求的建筑负荷指标，负荷计算如下表：
房间
面积m2
负荷指标W/m2
负荷W
一层

商铺1
40
160
6400
商铺2
34
160
5440
商铺3
35
160
5600
商铺4
36
160
5760
商铺5
36
160
5760
商铺6
37
160
5920
商铺7
26
160
4160
商铺8
26
160
4160
商铺9
26
160
4160
商铺10
26
160
4160
商铺11
26
160
4160
商铺12
26
160
4160
消防监控
26
140
3640
管理用房
26
140
3640
大厅
238
180
42840
合用前室
16
100
1600
二层

休息茶座
180
130
23400
厨房
470
250
117500
管理用房
26
140
3640
三层

职工餐厅
470
250
117500
管理用房1
26
140
3640
管理用房2
7
140
980
合用前室
16
100
1600
四层

职工餐厅
496
250
124000
合用前室
16
100
1600
管理用房
7
140
980
五层

办公1
35
150
5250
办公2
30
150
4500
办公3
32
150
4800
办公4
33
150
4950
办公5
33
150
4950
办公6
33
150
4950
办公7
27
150
4050
办公8
28
150
4200
办公9
28
150
4200
办公10
28
150
4200
办公11
28
150
4200
办公12
28
150
4200
办公13
28
150
4200
办公14
27
150
4050
管理用房
7
140
980
六至十四层

公寓式办公1
29
150
4350
公寓式办公2
25
150
3750
公寓式办公3
27
150
4050
公寓式办公4
28
150
4200
公寓式办公5
28
150
4200
公寓式办公6
28
150
4200
公寓式办公7
23
150
3450
公寓式办公8
23
150
3450
公寓式办公9
23
150
3450
公寓式办公10
23
150
3450
公寓式办公11
23
150
3450
公寓式办公12
23
150
3450
公寓式办公13
23
150
3450
公寓式办公14
22
150
3300
管理用房
7
140
980
十五层

会议室
426
230
97980
管理用房1
26
140
3640
管理用房2
7
140
980

经我司众多工程案例经验总结，考虑建筑房间的同时使用系数0.7-0.8，确定设计供冷总负荷为863kW，设计供热总负荷为690kW。

2、 热泵机组的确定
结合空调总冷负荷863kW，总热负荷690kW，本建筑体的使用特性为同时空调使用率低的特点及清华同方地源热泵机组特点，考虑选用2台SGHP350L螺杆式高效地源热泵机组对该建筑物提供冷暖。

地源热泵机组性能参数
型号
项目
SGHP350L
制冷工况
名义制冷量kW
424
输入功率kW
86
蒸发器
冷水进/出水温度℃
12/7
冷水流量m3/h
73
冷水阻力kPa
50
冷凝器
冷却水进/出水温度
25/30
冷却水流量m3/h
88
冷却水阻力kPa
90
制热工况
名义制热量 kW
351
输入功率 kW
119
蒸发器
冷水进/出水温度℃
0/注2
冷水流量m3/h
88
冷水阻力kPa
150
冷凝器
热水进/出水温度℃
40/注2
热水流量m3/h
73
热水阻力kPa
50
压缩机
型式
半封闭螺杆压缩机
数量
1
能量调节方式
自动
能量调节范围％
50,75,100
制冷剂
名称
R22
充注量kg
75
电气性能
电源
三相五线制 380-3￠-50Hz
安全保护
高低压\断水\防冻\压机过载\油加热器\安全阀
冷冻水进出水管mm
DN100
冷却水进出水管mm
DN100
冷却水/冷水污垢系数m2.k/kw
0.086
机组外形尺寸：长×宽×高mm
3440×1200×1780
机组重量kg
2100
运行重量kg
2295
运输重量kg
2600

注：水源侧测试介质为质量浓度23.6%的乙二醇水溶液；用户侧为水。
制冷：水源进出水温度：25℃/30℃；用户进出水温度：12℃/7℃；
制热：水源进出水温度：0℃/-2.6℃；用户进出水温度：40℃/44.3℃；

（四）地埋管换热系统设计选型
1、 地源热泵换热器最大换热负何的确定
热泵机组的制热量或制冷量与所耗功率之比称为能效比，即COP值，它是表示制热效率或制冷效率的能耗指标。水源热泵机组的COP则可达到5.0-7.0左右，制热达到4.2以上。整个系统的运行能效达到制冷4.0以上，制热3.6左右
根据所选机型的最大出力夏季424kW×2=848kW，冬季351kW×2=702kW。
◆制冷工况：
夏季，需要的冷负荷为848kW，计算夏季向土壤中排放的最大散热量为：

式中
——夏季向土壤中排放的最大热负荷量，单位：kW；
——空调冷负荷，单位：kW；
COP——能效比，取4。
所以，夏季散热的热量为：
＝848×(1+1/4) =1060（kW）
◆制热工况：
冬季，需要的热负荷为621.6kW，计算埋管的实际最大吸热需求量为：

式中
——冬季从土壤中吸取的最大热负荷量，单位：kW；
——空调热负荷，单位：kW；
COP——能效比，取3.6。
所以，冬季地表水需要量为：
＝702×(1-1/3.6) =507（kW）
从计算结果可看出单位时间内与土壤的最大换热量出现在夏季，为1060kW。

2、 地埋管换热器的设计
地源热泵系统的设计中，室外地埋管的计算是关键环节，本工程采用垂直地埋管。垂直地埋管换热器计算的基础是单个钻孔的传热分析。在多个钻孔的情况下，可在单孔的基础上运用叠加原理加以扩展。
结合多年的地源热泵设计施工经验，土壤换热器形式设定如下：
l 土壤耦合器采用单U形埋管，钻孔直径为￠110－150mm ；
l 考虑井之间相互热干扰，埋管间距最好为4m；
l 水平管连接方式为管井分集水器连接,水平埋深不小于1.2米；
l 钻孔深度，根据整个南通地区的地质情况暂定埋管深度80米，可根据实际钻孔情况调整；
地耦换热器计算：
计算埋管管长
地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等。
根据我们已掌握的镇江地区的地质资料和实际工程经验，利用管材“换热能力”来校核管长。
本项目设计取每米管的换热能力值，即35W/m（管长），具体计算公式如下：

其中——竖井埋管总长，m
——夏季向土壤排放的热量，kW
分母“35”是夏季每m管长散热量，W/m
总埋管量： ＝1060×1000/35=30286 m

确定竖井数目及间距
竖井深度多数采用70～100m，我们参考江苏淮北地区的地质资料，选择该地区竖井打80米较为合理。根据下式计算竖井数目:

其中——竖井总数，个
——竖井埋管总长，m
——竖井深度，m
分母“2”是考虑到竖井内埋管管长约等于竖井深度的2倍。
计算结果：N＝30286/2/80=189
根据工程经验，并考虑到本方案模拟中某项需求的持续对土壤换热和吸热的需求性，因此采取了适当加大10%土壤换热能力的设计，则
图书馆：取实际打孔208个，间距4米，水平管和分集器连接，详见设计图纸。
计算打孔所需要的占地面：3328平方米
土壤耦合器材料选择：
考虑到土壤换热器是地源热泵系统深埋于地下的关键换热设备,其性能对系统性能和寿命影响明显，本方案设计采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小、热膨胀性好的高密度聚乙烯（HDPE100），耐压1.2Mpa的SDR11管作为埋管材料。
因此，根据以上计算，可知地埋系统的设计满足系统要求。但埋管量占地较为庞大，建议夏季部分负荷采用冷却塔散热，这样可以减少埋管量，同时可有效的解决冬夏季土壤热不平衡问题。但也非需要，可以在后面的分析中确定是否需要冷却塔，如果冬夏运行的吸排热差达到30%以上，就可以考虑加冷却塔进土壤的热平衡。
特别需要注意的是，地源热泵需要充分了解可能发生的地下热平衡的失衡问题。

（五）土壤热平衡的分析：
如果冬夏季运行土壤吸排热差达到30%以上建议夏季部分负荷采用冷却塔散热，这样可以减少埋管量，同时可有效的解决冬夏季土壤热不平衡问题。
分析条件，根据地区气候特性，南通地区夏季供冷周期为90天，冬季供周期为120天。夏季每天运行时间按8小时，冬季每天运行10计。
则：
年度夏季最大排热量：1060×90×8=763200kW
年度冬季最大吸热量：507×120×10=608400kW
根据前面所计算的最大吸放热负荷差，百分比情况：
763200/608400=1.25kW
结论：分析结果可以不需要设置冷却塔。如果有生活热水需求，工程上还可以用来夏季热回收生活热水来进行土壤的热平衡。

（六）、主要设备表、运行费用分析及工程预算
1、主要设备选型表
序号
设备名称
设备性能参数
数量
单位
1
地源热泵机组
SGHP350L
2
台
2
冷热水循环泵
流量80m3/h,扬程30m
3
台
3
地源侧循环泵
流量100m3/h,扬程35m
3
台
4
定压膨胀补水箱
有效容积500L
1
套
5
地埋管换热系统
单U孔深80米
208
个

2、运营成本比较
（1） 计算条件：
①运行天数为夏季90天，冬季为120天
②空调夏季平均运行时间为8小时，冬季平均运行时间为10小时
③白天和夜晚平均电价按0.6元/kw·h计算
④空调使用面积为6473平米
⑤按系统平均能效折算（含末端及辅助电设备：夏季运行电耗为863/4=216kW；冬季运行电耗为690/3.6=192kW

（2）运行费用分析
项 目
计算过程
计算结果
夏
季
水源热泵机组耗电
负荷率100%天数
15
15×8h×216kW×100%
25920
负荷率75%天数
20
20×8h×216kW×75%
25920
负荷率50%天数
30
30×8h×216kW×50%
25920
负荷率25%天数
25
25×8h×216kW×25%
10800
夏季总耗电电量
25920+25920+25920+10800
88560
夏季总运行费用
88560*0.6
53136元
平均每平方米夏季运行费用
53136元÷6473平米
8.2元/平米
冬
季
水源热泵机组耗电
负荷率100%天数
20
20×10h×192kW×100%
38400
负荷率75%天数
32
32×10h×192kW×75%
46080
负荷率50%天数
38
38×10h×192kW×50%
36480
负荷率25%天数
30
30×10h×192kW×25%
14400
合计耗电量
38400+46080+36480+14400
135360
冬季总运行费用
135360×0.6
81216元
平均每平方米冬季运行费用
81216元÷6473平米
12.5元/平米
全年
总耗电量
88560+135360
223920
总运行费用
223920 kWh×0.6元/kWh
134352
平均每平方米运行费用
134352÷6473
20.7元/平米

3、工程预算
序号
设备名称
设备型号参数
数量
投资费用
1
水源热泵机组
SGHP350L
2台
60万元
2
冷热水循环泵
流量80m3/h,扬程30m
3台
2万元
3
水源侧循环泵
流量100m3/h,扬程35m
3台
2.5万元
4
定压膨胀补水箱
有效容积500L
1套
0.5万元
5
电子除垢仪

2套
1万元
6
地埋管换热系统
单U孔深80米
208孔的系统
110万元
7
主机安装费用
含电气
1项
30万元
8
室内设备及安装
室内部分空调
1项
110万元
9
预计总投资
约316万元

注：本预算为项目前期投资评估不作为最终定价

四、地源热泵系统设计与安装
（一）地源热泵系统设计与安装关键
现场勘查：决定采用地源热泵系统后的现场勘查，除了进行场地调查以外，关键是钻勘探孔采集土壤热参数。土壤热参数主要包括土壤的导热系数、土壤温度以及随深度和季节变化的规律等，目前由于国内缺少这方面的研究，相关技术还不成熟，因此限制了地源热泵的应用和开发。
系统设计：地源热泵换热器中的循环介质与大地之间的换热情况相当复杂，因此该系统的设计难点主要是换热器的设计。埋管形式、埋管或竖井的间距、埋深、管径、循环介质的流量等是系统设计和施工中应该重点考虑的因素。
关键点：

U型管热交换器的管径一般在50mm以下，埋深可达200m以上，主要用于埋管面积较小的地区。U型管的水平间距有资料指出一般为4.5m，目前也有6m的实例，实际上其间距应与埋管深度、回路形式、管径以及系统使用状况有关。
系统安装：垂直埋管的施工主要包括钻孔、换热器安装、试压和回填，其中任何一个步骤都极为关键，因此，应该由有资质和经验的施工队伍来完成。
（二）室外地埋管换热系统的主要施工工序及注意的问题：
1、室外地埋管换热系统的主要施工工序
孔位放样→钻孔→U型换热器的组装、试压→U型换热器的下放→U型换热器的二次试压、保压→注浆→U型换热器冲洗→开挖环路集管沟槽→抄平沟槽、回填沙子→环路集管的制作、安装→第三次试压→回填沙子及原土并夯实→第四次试压。
2、孔位放样：
采用钢卷尺按照室外孔位图纸进行平面定位，放出各孔位做好标记及控制点。采用水准仪测出各孔位的地面高程，根据环路集管的埋深确定钻孔深度。
3、钻孔：成孔是室外换热系统的主要工序之一，为保证成孔率，减少施工成本，加快施工进度，在成孔过程中应采取如下措施：
⑴、选用性能好的成孔设备（钻机、空压机）。⑵、保证钻空的垂直精度，应小于1度。（钻机安装应稳固可靠；开孔时应低速低压确保垂直度；孔深5m以内孔斜应严格控制；开孔前必须用水平尺校正钻机，固定好后方可开孔。）⑶、成孔要连续，尽量缩短成孔的时间，以防塌孔。⑷、钻孔至设计深度，提钻前应进行洗孔保证成孔的有效深度。
4、U型换热器的组装、试压应采取的措