刘潇1刘业彬2刁乃仁1丁永昌1李宜程1
1山东建筑大学热能工程学院2江苏天康地源热泵工程有限公司
摘要：本文以解决住宅采暖为出发点，提出了一种新型式地源热泵系统来解决住宅的采暖问题，即地源热泵系统的地埋管侧水系统采用大泵与用户小泵结合的方式；结合实际工程介绍了系统的运行原理，水泵选型，对工程进行了负荷分析和经济性分析，得出新型式地源热泵系统优于集中式地源热泵系统的结论。
关键词：住宅采暖地源热泵大泵与小泵经济性分析
现今地源热泵在我国逐步得到重视，随着近几年雾霾天气的出现，供暖产生的污染受到人们的关注，而中国建筑行业还在飞速的发展以至于建筑采暖问题亟待解决。除此之外，运行管理也影响热泵机组的利用效率，表1是热泵机组和水泵在部分负荷情况下耗电比较：
由表1可知，空调水泵运行时间长，耗电量比较大，而本身的调节性能比较差，能量浪费也比较大。在空调系统中水泵的能耗占空调总能耗的20%以上。根据住宅空调负荷变化的特点，考虑运行调节的灵活性以及当前新建小区的销售率、入住率和使用率等问题，提出了住宅小区地埋管侧水系统采用大泵、小泵匹配的系统，可以避免集中式地源热泵的巨大能耗以及昂贵的运行费用。
1 项目工程概况
本项目为北方某住宅小区，建筑面积是 165000 m2，该小区共有17栋楼，1#、17#是公建，2#~16#是住宅楼，住宅层高3.6 m，每栋建筑18层，商业建筑层高3.6 m，会所建筑层高5.5 m。住宅建筑高度为63 m，根据楼高对空调水系统进行高低区分区，高低区各承担一半的空调负荷。
2-种新型式地源热泵介绍
2.1系统运行原理
图1为该小区地源热泵系统流程图，主要设备包括户式热泵机组、全程水处理器、稳压膨胀器、软化水箱、全自动软化水装置、地源侧分集水器、水泵，其中水泵包括大泵和小泵。每户有两个小泵，一台是空调侧循环水泵，另一台是地源侧循环水泵。
用户末端形式是风机盘管和地板辐射采暖。冬季供暖主要利用地板辐射的方式，风机盘管作为辅助采暖方式由用户根据实际需求自行开启。夏季利用地板辐射直供冷的方式。地源热泵运行一个冬季从地下提取热量使得地表温度低于15℃，夏季地板辐射表面温度为20℃，供回水温差为5℃，供回水温度一般为12～15 ℃，夏季不需要开启热泵机组和用户侧水泵，只需开启机房内的大泵就可直接供冷，这种直接利用余冷的方式解决了回灌热量的问题，又降低了机组和水泵的能耗。
新型式的地源热泵系统中大泵与小泵的控制原理是初期只开启小泵当建筑物的热负荷增加到一定程度小泵不能满足时开启大泵，大小泵同时运行。原因是采暖初期由于室外温度不是很低，室内热负荷小用户根据自己的需要开启机组，这时整个系统的流量较小不需要大泵只需开用户侧小泵就可达到要求，当空调热负荷达到一定程度时开启大泵，大小泵一起运行提供用户所需的流量。大泵的开启是利用超声波流量计测量主干管流量。我们通过手动输入限定的流量值，当流量计测得管内流量大于设定值时机房内的大泵运行。该系统地下换热器采用垂直敷设方式，钻孔间的设计间距为4m，钻孔的直径为150 mm，垂直管采用双U管，管径为De32，水平管直埋敷设。
地源侧水系统采用大泵与小泵结合的方式主要目的是解决住宅建筑采用集中热泵系统时机组和水泵的能耗过大问题。住宅建筑的热负荷具有变化大、不稳定的特点，而在实际运行时必须满足不同用户的需暖要求，住宅建筑采用集中式地源热泵系统在采暖期一直开启热泵机组出现供热量远大于需热量的问题，不仅造成管理费用高还会造成能源浪费，在现阶段能源紧张的前提下这种系统是不占优势的。
2.2地埋管侧水系统大泵与小泵的选型
流量L( m3m)计算公式如下：
根据该住宅小区的实际情况确定大泵和小泵的流量与扬程，流量根据式(1)可得，主要是确定大泵与小泵的扬程。
表2为用户内设备阻力表，计算得总和为150 k Pa，则循环水泵（小泵）所需扬程为15 mH2O。
表3为机房内设备阻力表，计算得总和为200 k Pa，则机房内循环水泵（大泵）所需扬程为20 mH2O。
综上所述：大泵扬程为20 nH2O，小泵扬程为15 mH2O。大小泵在系统中是串联形式，串联折损后为30 mH2O，满足整个系统的循环阻力要求。
3 集中式地源热泵与大泵+小泵系统的负荷分析
本工程住宅建筑为节能75%的民用建筑，原有的设计研究院提供的冬季热指标为28 W/m2，总热负荷为4600 kW，夏季冷指标为50 W／m2，总冷负荷为250 kW，由于两种系统运行方式不同，空调运行时间也不相同，采用简化计算方法，即根据设计冷热负荷与建筑空调运行时间，综合考虑建筑类型，功能等因素，设定每月空调系统的同时使用系数。
采用集中式地源热泵时建筑全年逐月累计的冷热负荷如图2所示，采用大泵与小泵系统时建筑全年逐月累计的冷热负荷如图3所示。
由图2、3可以得到：两种系统下全年的月累计负荷的变化趋势是一致的；大泵与小泵系统比集中式热泵系统的能耗低。
4 新型式（大泵+小泵）地源热泵系统经济性分析
与集中式地源热泵空调系统的初投资比较见表4，与集中式地源热泵运行费用比较见表5，回收期比较见表6。
5 结论
1)北方住宅建筑地埋管侧水系统采用大泵与小泵的新型式系统在理论上和技术上完全可行；
2)新型式（大泵+小泵）地源热泵系统应用在住宅建筑上比集中式地源热泵有一定的优越性；
3)结合实际工程分析可知，该系统与集中式地源热泵相比初投资要高一些，但运行费用相对要低，通过经济性分析系统运行20周年新型式地源热泵可节省运行费用1940万元，投资回收期为7年。
下一篇:返回列表
