无锡某科技园温室地源热泵空调系统设计方案.doc

无锡市XX科技园温室
地源热泵空调系统设计方案

1. 工程概况
本项目位于无锡市东部XX区XX科技园内，构筑物南北长120米，东西宽40米，坡顶高度4.8米，天沟高3.9米，四周及顶部均采用4mm单层玻璃做为围护材料，整个玻璃温室由钢结构骨架支撑，总面积4800平方米。
2. 空调冷热源
2.1 设计参数
室外设计参数
夏季：空调室外计算干球温度 35℃
冬季：空调室外计算干球温度 -3℃
室内设计参数
夏季：25～30℃，湿度不控制
冬季：8～15℃，湿度不控制
2.2 空调设计负荷
夏季根据围护结构进行逐项逐时冷负荷计算，选取峰值负荷；冬季耗热量由围护结构耗热量、冷风渗透耗热量及冷风侵入耗热量组成，计算结果如下：
夏季：336.5 kW 冬季：442.2 Kw
由于夏季室内温度保持在30℃左右，且该温室设有遮阳设施及通风换气设备，对空调温度要求不高；而冬季主要靠地源热泵系统加温，无其它辅助设备，且室温须严格保持在8～15℃。因此，本设计以冬季供热负荷为计算依据。
2.3 空调冷热源
温室供暖系统常用两种形式：热风系统和热水系统。热风系统一般采用燃油锅炉，将温室内的回风加热后，经暖风机通过塑料薄膜风管送出。送风管的壁面上有规律地排列了很多小风口，能较均匀的送出热风。采用塑料薄膜风管的好处是造价低廉，对光照影响不大，但热风温度控制困难。热水供热系统采用室内布设光管或管道绕翅片做为散热面，与热风系统相比，最大的优点是室内温度场均匀，温度波动小，缺点是当冷风大量渗透时加热较慢。
本工程以垂直地埋管换热器替代锅炉作为冬季空调的热源，并兼做夏季空调的冷却水水源。室内地源热泵机组均匀吊装在温室内，直接送出热风，去除了常规温室供热系统中的风管或者散热管道。该系统吸收了热风采暖的优点，又省去了大量的散热管道，室内温度控制均匀。地源热泵系统中的换热器垂直埋放在温室东侧的绿化带内。
3. 空调系统设计
3.1 空调水系统
水系统采用两管制，整个温室为一个闭式水系统。水泵机房设置集、分水器，考虑到系统内水的膨胀量，机房屋顶设一个膨胀水箱。温室内空调供回水管为同程布置；地埋管分组布置，组与组之间为异程式，通过平衡阀进行阻力平衡。
3.2 室内热泵机组的选用及安装
根据热负荷，选择清华同方HGS系列冷热风型水源热泵机组（具体技术参数见附录），HGSLR-17，共20台，直接吊装于温室内，详见图1及图2。

图1：地源热泵空调系统平面图

图2：安装剖面图
4． 地源热泵竖直地埋管热交换器设计与安装
4.1 换热量计算
地下埋管式换热器是地源热泵系统设计的重点，也是地源热泵系统设计中最主要的部分。根据无锡地区的的土壤特性、气候特点、地质结构等特点，结合该项目的具体情况以及相关工程经验，本项目采用竖直地埋管热交换器。
热交换器冬夏季换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。本工程中，根据以下公式计算地埋管热交换器冬季的换热量：

kW
式中，—为冬季从土壤吸收的热量，kW；—为冬季设计总热负荷，kW；—为设计工况下水源热泵机组的供热系数。
4.2 换热管管长计算
供热工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度可按照下列公式计算：

根据以上公式，结合本项目相关实际参数，利用软件计算得到单位长度换热管负荷为25W/m，则换热管长度计算如下：
m
式中，为换热管长度，m；为换热量，W；为单位长度换热管负荷，W/m。
4.3 确定换热孔数目及间距
按地源热泵技术要求，竖直地埋管换热器埋管深度宜大于20m ,钻孔孔径不宜小于0.11m，钻孔间距应满足换热需要，间距宜为3～6m。水平连接管的深度应在冻土层以下0.6m，且距地面不宜小于1.5m 。
根据无锡地区的地质资料、现场条件以及钻井设备条件等诸多因素综合分析，认为该地区竖井深度取60m较为合理。竖井数目计算如下：
个
式中，为竖井总数，个；为地埋管换热器总长，m；为竖井深度，m 。
考虑到温室内不同植物对温度的要求不同可能带来的换热量变化问题，竖井数目圆整后取120个。根据现场情况，竖井沿温室南北方向分两排布置，每排需要布置50个竖井，排与排之间的间隔为10m，而温室南北长为120m，则南北向孔间距约为2m，钻孔直径为180mm，详见图1。
4.4 地埋管换热器管材、管径及系统的设计安装
本工程选用聚乙烯PE管，公称压力为1.25MPa；管内流速取0.6m/s，换热管管径选取DN32，水平集管选取DN50。由于南方地区冻土曾较浅，水平埋管深度取1m ，见图3。
由于换热孔的数量较多，一般要求每对供回水集管连接的地埋管环路数量宜相等，且环路之间做同程布置。根据本工程实际情况，采用每对供回水集管连接10个地埋管环路的方式，集管之间的阻力由平衡阀加以平衡，详见图4。

图3：水平埋管剖面图
图2：地埋管接管详图
4.5 水泵选择计算
根据地源热泵机组对流量的要求，并在此基础上考虑换热孔间距较小而适当加大流量，确定系统流量约为140m3/h。地埋管部分压力损失公式为

计算得50.08Pa，则水泵扬程可计算得到，为201.57kPa。
系统中，管路最大压力应小于管材的承压能力。在不考虑竖井地下水引起的静压力抵消的情况下，管路所需承受的最大压力按照以下公式计算：

式中，为管路最大压力，Pa；为建筑物所在地区大气压力，Pa；为地埋管中流体密度，kg/m3；g为当地重力加速度，m/s2；为地埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差，m；为水泵扬程，Pa。
经过计算，本系统中，管路最大压力为0.89MPa，本工程采用的管材额定承压能力为1.25MPa，管材满足设计要求。
5. 地源热泵空调系统的优势
本项目在研究温室供暖的基础上，采用地源热泵空调系统利用地下能源，从而取代燃煤、燃气、燃油等常规锅炉对温室供暖，实现了空调系统的近乎零污染和零排放。实际运行中，优势明显：
(1) 运行可靠，
地源热泵空调系统的运动部件相比常规系统少，减少了维护费用；同时，由于系统安装在室内和埋在地下，延长了系统的使用寿命；系统在运行过程中没有燃烧，因此也就没有普通锅炉运行所带来的安全隐患；供热平稳，降低了停、开机的频率和空气过热和过冷的峰值，运行更为可靠。
(2) 运行费用低
地源热泵系统的效率比普通锅炉设备高，系统只需要很小的电量就可以正常运行，所以是一种非常节能的空调系统。
(3) 改善环境
地源热泵系统与普通锅炉相比，没有燃烧，也就没有各种有害气体的排放，对大气几乎无污染；地埋管安装在绿化地内，机组安装在温室内，无视觉障碍；运行噪音很小，无噪声污染。
(4) 本项目于2006年19月底竣工，即将投入使用，让实践来检验设计成果。
附：
1． 地源热泵空调系统平面图（见附件）
2． 地买管接管详图（见附件）
3． 地源热泵机组技术参数
地源热泵机组技术参数表
HGSLR整体水风立式系列
型号 HGSLR

05
08
10
17
22
27
33
48
65
90
120
150
额定制冷量KW
5
7.6
10.2
16.7
21.9
26.6
33.3
47.1
64.7
90.1
118.7
150.0
额定制冷功率
KW
1.75
2.45
3.05
5.3
7.28
9.14
11.0
14.23
22.1
26.89
38.74
51.48
能效比 W/W
3．16
3.44
3.71
3.5
3．34
3．23
3．36
3.28
3．25
3.72
3．4
3．25
额定制热量Kw
6.1
10
13.8
21.6
29.7
37.7
41
60.5
84.5
113.3
153.4
193.8
室内风量（中档） m3/h
1080
1400
1520
2630
3240
4680
5400
9000
14400
17500
19800
22200
机外余压pa
75
75
100
100
100
180
180
180
200
180
200
200
声压力级 dB(A)
61/65
66/74
66/74
74/79
67/77
67/78
66/79
69/86
70/87
72/92
72/92
73/91
电源 V/PH/HZ
220V/1-50Hz
380V/3N-50Hz
额定最低水流量m3/h
1
1.54
1.98
3.31
4.39
5.36
6.62
9.39
12.96
17.85
24.37
31.07
水侧盘管压降kPa
55
70
21
39
54
66
120
90
150
110
120
120
长
513
513
643
755
1200
1200
1400
1800
1800
2000
2000
2000
高
850
1072
1072
1092
1240
1240
1435
1770
1770
1940
1940
1940
宽
510
538
538
720
720
720
720
800
800
1250
1250
1250
进出水管径（外螺纹）
3/4"
3/4"
1"
1"
1"
1"
1"
1 1/4"
1 1/4"
2"
2"
2"
冷凝水管径（外径） mm
19
19
19
19
19
19
19
25
25
25
25
38
净 重 kg
85
104
145
260
320
390
450
625
760
850
1050
1200
装运重量 kg
93
106
160
280
342
415
477
658
800
895
1100
1260

设备名称：HGSLR立式系列冷热风型水源热泵机组
规格：HGSLR-17
数量：20台