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摘要：本工程为天津某工业园区地源热泵空调项目，替代原有外网供热的初步设计。其中集中式中央空调采用垂直地埋管和冷却塔潜伏设计，末端采用风机盘管，吊顶空调器系统。
关键词：工业园区、地源热泵系统、优化设计、经济分析
中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：
1、工程简介
工业园项目分两期完成，建筑物主要用途为车间和办公楼。一期工程总建筑面积59737㎡，其中车间面积45808㎡，办公楼13929㎡。总冷负荷6052kW，总热负荷4562KW。
2、案例介绍及分析
2.1、系统简介
地源热泵系统主要包括六部分：室外闭合埋管系统、主机、末端系统、整体配电系统、自控系统及监测系统。
1、室外闭合埋管系统：包括一个地下密封的高密度PE管热交换网系统，管网内充有流体介质，当处于制冷工况时，管内液体温度上升，热量向大地散出，供热工况时，管内液体温度下降，热量从大地吸入，埋管形式采用垂直埋管。本工程设计地埋管换热器788组，双U型管，深100m。横埋管敷设在地下负2m处，采用同程编组的方式。地下换热器根据项目特点设计了若干组地下观察井，用于方便检测、维修。
2、主机：厂房均根据设计的总冷、热负荷各选用2台地源热泵工况的机组，冷热负荷均能满足设计负荷的要求。
3、新风系统：按工作人员的数量及送新风标准30m³/人进行新风量设计，排风系统按局部排风和系统排风综合考虑设计，运行工况采用定时定点调节。卫生间和机房通风换气次数按10次/h，室内保持5Pa风压。
4、整体配电系统：厂房为各自独立热泵机房系统，机房和末端系统配电也是各自独立系统。热泵机房安装独立计量电表及水表，末端系统进户安装独立电表进行单独计量及核算。
5、自控系统：本工程水系统采用一次泵变流量双管制系统，配置自立式压差平衡阀和全自动定压排气装置。末端系统根据各区域特点及使用功能配置电动两通阀和系统温度，流量调节阀。系统及各子系统均采用同程式连接。主机和水泵根据末端系统反馈的数据参数自动调节输出的冷、热量、流量及功率。
6、监测系统：埋管换热器系统分组安装了地下土壤监测温度感应探头，监测系统数据被自动收集到终端电脑系统，形成数据记录及数据曲线。
2.2、技术创新
1、供热形式创新
原有设计采用外网集中供热，以传统的燃煤锅炉方式提供热源，单冷机组提供冷源。不仅造成能源浪费，且对环境造成污染。现将原有设计改为地源热泵系统为工程提供冷热源，向大地要冷暖，属清洁能源，以达到环保节能的目的。
2、计算负荷及末端系统优化设计
原设计总冷、热负荷是初步设计负荷，原负荷比现在运行的设计负荷量大一倍之多。进行了为期一个月的调研，主要了解各种设备发热量，发热方式，运行工况及工作间断时间，排风量的要求、时间、断点，新风量的需求，人员操作岗位温度要求，工作班次，自动化程度，订单情况，产品变化情况，现有制冷供暖系统运行情况及负荷率等等。对原设计进行优化调整，如末端系统送、回风方式，气流组织形式，水系统流量调节控制手段和措施。
原设计对大发热量设备的房间采用全面降温方式来保证工艺和人员对温、湿度要求。优化原则根据不同工艺要求，采用不同温度和湿度控制指标，使总冷、热负荷降下来，来达到节能目的，舒适性空调的要求在保证生产工艺要求的情况下，实行对人员岗位送风方式来保证。
原设计采用空调机组加湿段处理送风方式，优化为根据不同产品要求和工艺精度要求设置吊顶空调器和单独配置加湿系统来满足要求。末端系统由异程改为同程方式，这样解决了各种调节阀在运行期间发生损坏、堵塞造成系统水力不平衡以及调节困难的缺陷。
经过以上几种方式和设计思路的调整，优化后设计总冷、热负荷比原有减小一倍，节省大量工程材料和人工费，达到节能降耗的目的。在整个系统投入使用的两个冬季、两个夏季后，该系统使用效果令业主十分满意，工程投资大大减少，运行费节约达到60%以上。
3、冷却塔潜伏设计
根据国家《地源热泵系统工程技术规范》要求一年内地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡。本项目由于冷热负荷相差约25%以上，因此为解决长期运行后土壤的热平衡问题，该工程潜伏设计了冷却塔，预留了相关的位置接口，待温度监测达到设计值时启动冷却塔系统进行调峰。
4、末端循环水系统的优化设计
原设计循环水泵为定流量泵，按总冷量选取水泵型号、流量、扬程、功率等。由于冷热负荷相差较大，冬、夏季共同使用同一台泵，会造成水泵大量功耗，为此优化为一次泵变流量系统。根据不同运行工况和末端系统反馈的数据信号自动调节水泵输出的流量和功率，热泵机组根据不同工况温度和流量自动调节输出冷、热量和功率，达到节能降耗的目的。
5、能源监测系统
1）土壤热物性测试
对于地源热泵系统埋管换热器设计来说，土壤热物性参数是基础性的设计依据，是系统设计经济和可靠的前提和保证。设计施工人员在设计前对建筑物周边适当区域的土壤进行了热物性测试：钻测试孔6组，按照拟定换热孔深度H=100m，形式：双U型，管径：De32，孔间距5m×5m，孔径φ200mm，材料：PE管材，回填材料为5%膨润土+30%黄沙+45%的石屑+20%原浆的混合物。换热孔运行工况：冬季进出口水温6-9℃，夏季进出口水温30-35℃，采用我公司自主研发的土壤热物理参数测试台，连续24h运行15天后，达到稳定运行状态时电脑自动生成和打印的采集土壤岩土的数据，经过综合分析得出，土壤初始温度13.75℃，地下埋管深度内平均导热系数为2.24W（m·K）
2）为确保方案设计的合理性，系统长期运行的稳定性，垂直地埋管不同深度、不同半径处安装温度传感器，其监测温度数据信号传至上位机，采用多孔介质传热计算软件对埋管区域进行土壤热平衡监测分析。
本工程运行冬、夏两年监测得到数据如下：从5月份开始热泵机组就以部分负荷开始排热运行，6、7、8三个月以80-90%负荷运行，此间埋管区域内最高土壤温度可达24.5℃（紧贴管壁处）；9月底停止排热运行埋管区域平均温度已降至20.5℃。在供暖季节来临前，土壤平均温度下降至15.9℃左右，处于对冬季供暖运行非常有利的状态。
3)为了保证系统在最佳状态运行，本工程将对该系统运行状态进行实时检测和控制。同时通过互联网或GPRS网络将数据存入數据库服务器中，实现对系统的远程实时检测，并且对系统运行状态长期统计。
3、经济分析
1）本项目总投资为2153.56万元。
2）地源热泵系统运行费用为20元/㎡·年，而常规系统运行费用为55元/ m²·年。
3）地源热泵系统与常规系统对比
与常规能源系统相比，本工程地源热泵系统的增量投资为352.34万元。但在系统运行过程中，地源热泵系统的运行费用远低于常规能源系统的运行费用，即增加的投资可在短时间内回收回来。因此，本项目使用的地源热泵系统在经济性上有很大优越性，可起到一定示范作用。
4、节能效果
系统全年节能量总和为 5.24×106 kWh/年，折合为1933吨标准煤/年。
5、推广价值
地源热泵系统技术成熟、高效、节能、环保，符合发展循环经济的要求，实现“零”排放，综合体现了“环境保护、可持续发展”的理念，而且在天津地区具有比较广阔的市场应用前景。因此，本项目的建设无疑提供了一种科学、合理、有效的推广途径。
参考文献
1.陆耀庆，实用供热空调设计手册，中国建筑工业出版社，1995
2.徐伟等译，地源热泵工程技术指南，中国建筑工业出版社，2001
关键词：工业园区、地源热泵系统、优化设计、经济分析
中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：
1、工程简介
工业园项目分两期完成，建筑物主要用途为车间和办公楼。一期工程总建筑面积59737㎡，其中车间面积45808㎡，办公楼13929㎡。总冷负荷6052kW，总热负荷4562KW。
2、案例介绍及分析
2.1、系统简介
地源热泵系统主要包括六部分：室外闭合埋管系统、主机、末端系统、整体配电系统、自控系统及监测系统。
1、室外闭合埋管系统：包括一个地下密封的高密度PE管热交换网系统，管网内充有流体介质，当处于制冷工况时，管内液体温度上升，热量向大地散出，供热工况时，管内液体温度下降，热量从大地吸入，埋管形式采用垂直埋管。本工程设计地埋管换热器788组，双U型管，深100m。横埋管敷设在地下负2m处，采用同程编组的方式。地下换热器根据项目特点设计了若干组地下观察井，用于方便检测、维修。
2、主机：厂房均根据设计的总冷、热负荷各选用2台地源热泵工况的机组，冷热负荷均能满足设计负荷的要求。
3、新风系统：按工作人员的数量及送新风标准30m³/人进行新风量设计，排风系统按局部排风和系统排风综合考虑设计，运行工况采用定时定点调节。卫生间和机房通风换气次数按10次/h，室内保持5Pa风压。
4、整体配电系统：厂房为各自独立热泵机房系统，机房和末端系统配电也是各自独立系统。热泵机房安装独立计量电表及水表，末端系统进户安装独立电表进行单独计量及核算。
5、自控系统：本工程水系统采用一次泵变流量双管制系统，配置自立式压差平衡阀和全自动定压排气装置。末端系统根据各区域特点及使用功能配置电动两通阀和系统温度，流量调节阀。系统及各子系统均采用同程式连接。主机和水泵根据末端系统反馈的数据参数自动调节输出的冷、热量、流量及功率。
6、监测系统：埋管换热器系统分组安装了地下土壤监测温度感应探头，监测系统数据被自动收集到终端电脑系统，形成数据记录及数据曲线。
2.2、技术创新
1、供热形式创新
原有设计采用外网集中供热，以传统的燃煤锅炉方式提供热源，单冷机组提供冷源。不仅造成能源浪费，且对环境造成污染。现将原有设计改为地源热泵系统为工程提供冷热源，向大地要冷暖，属清洁能源，以达到环保节能的目的。
2、计算负荷及末端系统优化设计
原设计总冷、热负荷是初步设计负荷，原负荷比现在运行的设计负荷量大一倍之多。进行了为期一个月的调研，主要了解各种设备发热量，发热方式，运行工况及工作间断时间，排风量的要求、时间、断点，新风量的需求，人员操作岗位温度要求，工作班次，自动化程度，订单情况，产品变化情况，现有制冷供暖系统运行情况及负荷率等等。对原设计进行优化调整，如末端系统送、回风方式，气流组织形式，水系统流量调节控制手段和措施。
原设计对大发热量设备的房间采用全面降温方式来保证工艺和人员对温、湿度要求。优化原则根据不同工艺要求，采用不同温度和湿度控制指标，使总冷、热负荷降下来，来达到节能目的，舒适性空调的要求在保证生产工艺要求的情况下，实行对人员岗位送风方式来保证。
原设计采用空调机组加湿段处理送风方式，优化为根据不同产品要求和工艺精度要求设置吊顶空调器和单独配置加湿系统来满足要求。末端系统由异程改为同程方式，这样解决了各种调节阀在运行期间发生损坏、堵塞造成系统水力不平衡以及调节困难的缺陷。
经过以上几种方式和设计思路的调整，优化后设计总冷、热负荷比原有减小一倍，节省大量工程材料和人工费，达到节能降耗的目的。在整个系统投入使用的两个冬季、两个夏季后，该系统使用效果令业主十分满意，工程投资大大减少，运行费节约达到60%以上。
3、冷却塔潜伏设计
根据国家《地源热泵系统工程技术规范》要求一年内地源热泵系统总释热量宜与其总吸热量相平衡。本项目由于冷热负荷相差约25%以上，因此为解决长期运行后土壤的热平衡问题，该工程潜伏设计了冷却塔，预留了相关的位置接口，待温度监测达到设计值时启动冷却塔系统进行调峰。
4、末端循环水系统的优化设计
原设计循环水泵为定流量泵，按总冷量选取水泵型号、流量、扬程、功率等。由于冷热负荷相差较大，冬、夏季共同使用同一台泵，会造成水泵大量功耗，为此优化为一次泵变流量系统。根据不同运行工况和末端系统反馈的数据信号自动调节水泵输出的流量和功率，热泵机组根据不同工况温度和流量自动调节输出冷、热量和功率，达到节能降耗的目的。
5、能源监测系统
1）土壤热物性测试
对于地源热泵系统埋管换热器设计来说，土壤热物性参数是基础性的设计依据，是系统设计经济和可靠的前提和保证。设计施工人员在设计前对建筑物周边适当区域的土壤进行了热物性测试：钻测试孔6组，按照拟定换热孔深度H=100m，形式：双U型，管径：De32，孔间距5m×5m，孔径φ200mm，材料：PE管材，回填材料为5%膨润土+30%黄沙+45%的石屑+20%原浆的混合物。换热孔运行工况：冬季进出口水温6-9℃，夏季进出口水温30-35℃，采用我公司自主研发的土壤热物理参数测试台，连续24h运行15天后，达到稳定运行状态时电脑自动生成和打印的采集土壤岩土的数据，经过综合分析得出，土壤初始温度13.75℃，地下埋管深度内平均导热系数为2.24W（m·K）
2）为确保方案设计的合理性，系统长期运行的稳定性，垂直地埋管不同深度、不同半径处安装温度传感器，其监测温度数据信号传至上位机，采用多孔介质传热计算软件对埋管区域进行土壤热平衡监测分析。
本工程运行冬、夏两年监测得到数据如下：从5月份开始热泵机组就以部分负荷开始排热运行，6、7、8三个月以80-90%负荷运行，此间埋管区域内最高土壤温度可达24.5℃（紧贴管壁处）；9月底停止排热运行埋管区域平均温度已降至20.5℃。在供暖季节来临前，土壤平均温度下降至15.9℃左右，处于对冬季供暖运行非常有利的状态。
3)为了保证系统在最佳状态运行，本工程将对该系统运行状态进行实时检测和控制。同时通过互联网或GPRS网络将数据存入數据库服务器中，实现对系统的远程实时检测，并且对系统运行状态长期统计。
3、经济分析
1）本项目总投资为2153.56万元。
2）地源热泵系统运行费用为20元/㎡·年，而常规系统运行费用为55元/ m²·年。
3）地源热泵系统与常规系统对比
与常规能源系统相比，本工程地源热泵系统的增量投资为352.34万元。但在系统运行过程中，地源热泵系统的运行费用远低于常规能源系统的运行费用，即增加的投资可在短时间内回收回来。因此，本项目使用的地源热泵系统在经济性上有很大优越性，可起到一定示范作用。
4、节能效果
系统全年节能量总和为 5.24×106 kWh/年，折合为1933吨标准煤/年。
5、推广价值
地源热泵系统技术成熟、高效、节能、环保，符合发展循环经济的要求，实现“零”排放，综合体现了“环境保护、可持续发展”的理念，而且在天津地区具有比较广阔的市场应用前景。因此，本项目的建设无疑提供了一种科学、合理、有效的推广途径。
参考文献
1.陆耀庆，实用供热空调设计手册，中国建筑工业出版社，1995
2.徐伟等译，地源热泵工程技术指南，中国建筑工业出版社，2001