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摘要：本文介紹了上海某高級別墅土壤熱源熱泵系統設計具體情況。采用BIN法分別計算別墅全年動態負荷分布及土壤熱源熱泵系統全年運行能耗。以風冷熱泵系統為參考，對土壤熱源熱泵系統的節能效果做出綜合評價。

關鍵詞：高級別墅土壤熱源熱泵系統風冷熱泵系統節能效果

1引言

隨著人民生活水平的提高和國民經濟的高速增長，人們對居住環境舒適度和能耗要求越來越高。而如今自然資源的過度耗費，自然環境的嚴重污染，迫使人類不得不對自己所走過的道路進行反思。1992年聯合國環境與發展大會制定并通過了《21世紀議程》，明確指出：節能、環保是人類可持續發展的兩大主題。土壤熱源熱泵系統（GSHP）以其節能、環保和可持續發展的突出優點，成為空調供暖工程優先選擇的方案之一。

2GSHP系統的基本原理

它以大地作為熱源（熱匯），冬季將大地中的低位熱能取出提高，對建筑供暖，同時儲存冷量以備夏天使用；夏季將建筑內的熱量轉移到地下對建筑進行降溫，同時蓄存熱量以備冬天使用。夏熱冬冷的長江三角洲地區制冷與供暖的天數大致相當，冷熱負荷基本相同。利用該技術可以充分發揮土壤的蓄熱作用，達到環保節能的雙重功效。

3某高級別墅GSHP系統設計

3.1建筑概況

該高級別墅群依托佘山國家旅游度假區，山體、森林、水系和綠化面積高達62%，自然資源優勢突出。以某幢兩層獨立式別墅為例，建筑面積為950m2，功能分區明確，房間眾多包括臥房、客房、起居室、餐廳、門廳等，地下一層設有娛樂、酒吧間、健身房、酒窖等。

3.2土壤地質狀況

地質鉆探表明：佘山地區的淺層土壤是以粘土、砂粉土為主的軟土，土壤比較潮濕，地下水位較高，較適合GSHP系統的應用。

3.3室外設計參數[1]

夏季：室外干球溫度為34℃，濕球溫度為28.2℃，日平均溫度為30.4℃，大氣壓力為100530Pa，風速為3.2m/s。

冬季：室外空調溫度為-4℃，相對濕度為75％，大氣壓力102510Pa，風速為3.1m/s。

表1室內設計參數房間用途夏季設計溫度℃冬季設計溫度℃夏季相對濕度％冬季相對濕度％人員密度人/m2照明W/m2新風量m3/hp

起居室高級起居261860400.152030

門廳門廳261860400.122030

餐廳餐廳261860400.122030

臥室高級臥室261860400.102025

娛樂酒吧261860400.232030

女傭一般臥室261860400.122025

表2房間負荷及機組主要參數表房間冷負荷kW熱負荷kW機組型號冷量kW耗功kW熱量kW耗功kW尺寸

1F-1起居13.018.69GEHA04212.13.7112.63.431472*638*533

1F-2餐廳7.955.77GEHA0247.22.037.51.911168*584*432

1F-3客房10.696.29GEHA0309.12.529.52.371270*635*432

2F-1主臥7.514.77GEHA0247.22.037.51.911168*584*432

2F-2其他13.689.68GEHA04212.13.7112.63.431472*638*533

-1F地下11.026.25GEHA04212.713.7112.63.431472*638*533

注：斜體為制熱工況。

表3埋地換熱器基本設計參數單位換熱量W/m換熱量kW管長m孔數孔深m計算流速m/s孔間距m鉆孔直徑mm水管凈間距mm管徑mm

IIIIIIIIIIIIIII

50[2]34.8535.266977056658.158.80.730.824.5[3]1106025

表4上海地區2℃間隔、24小時運行的BIN參數BIN-6-4-202468101214

小時數（h）

濕球溫度（℃）1276168351524486440498521478428

-6.3-5.1-3.3-1.60.11.83.86.28.210.011.5

BIN1618202224262830323436

小時數（h）

濕球溫度（℃）499589613616537718587361927714

13.615.517.61921.423.825.025.826.427.027.4

3.4負荷計算及機組選型

鑒于別墅內房間眾多，功能分區明確，同時使用系數低。空調系統采用分區獨立設計，不同房間負荷及機組配置見表2。外墻開設新風口，直接引入主機回風靜壓箱，計算不考慮風系統引起的冷量損失。

3.5埋地換熱器設計

根據空調負荷分配，設置兩組地下埋管系統，I號系統負責別墅地上一層需求，II號系統負擔地下一層和地上二層空調需要。環路采用單U型豎埋管設計，同程式布置以保持環路間水力平衡。根據系統設計流量、阻力計算并考慮附加修正，I、II號系統各配置PTB40-125A循環水泵一臺。換熱器主要設計參數見表3。

4GSHP系統節能效果分析

研究人員在分析空調系統能耗時，多采用負荷頻率表法和滿負荷當量法，這種方法雖然直觀簡便，但未考慮建筑的個體特性，誤差不容忽視。本文選擇BIN法進行別墅全年動態負荷及空調系統全年能耗計算。

4.1BIN參數[4]

根據1984年的氣象觀測日報表，上海氣象局用拉格朗日插值法，生成了全年8784小時（閏年）的逐時干球溫度、相對濕度、風向、風速、氣壓、總云量、法向直射日射、水平面的散射日射等數據。基于上述數據，上海地區2℃間隔、24小時運行的BIN參數見表4，其中四個與建筑能耗有關的代表溫度見表5。

表5上海地區BIN參數關鍵溫度高峰冷負荷溫度℃中間冷負荷溫度℃中間熱負荷溫度℃高峰熱負荷溫度℃

36248-6

4.2別墅全年動態負荷

別墅全年動態負荷見圖1。

4.3GSHP系統全年運行能耗

土壤熱源熱泵系統能耗主要包括水源熱泵機組的功耗、埋地換熱器側循環水泵功耗、室內側冷凍水循環水泵功耗、空調末端設備功耗。節能效果評價選擇風冷熱泵（ASHP）為參考，以冷熱源側運行能耗為主，不考慮室內側循環水泵、末端設備功耗，見圖4、5、6。

4.4節能效果評價

本文使用季節能效比SEER（SeasonEnergyEfficiencyRatio）來分析兩種系統的運行性能。SEER定義如下：

計算可得：

ASHP系統夏季運行：SEER＝2.86

ASHP系統冬季運行：SEER＝2.69

GSHP系統夏季運行：SEER＝3.28

GSHP系統冬季運行：SEER＝4.14

顯然，冬夏季運行，GSHP系統的季節能效比均遠遠高于ASHP系統，尤其冬季運行時，節能效果更加顯著。

空調系統分區獨立設計便于用戶根據房間使用情況，自由調節主機、埋地換熱系統開啟。表6列舉了GSHP系統若干運行工況分類，能耗比較見圖7。

表6工況運行參數Sort1F2F-1FI#II#

Case1√√√√√

Case2√××√×

Case3×√××√

Case4××√×√

注：√代表系統開啟；×代表系統關閉。

5結論

本文介紹了上海地區某高級別墅土壤熱源熱泵系統設計情況。采用BIN法，分別計算了別墅全年動態負荷分布、GSHP系統全年運行能耗、ASHP系統全年運行能耗，并選擇季節能效比SEER評價其節能效果。結果表明：

（1）GSHP系統冬夏季運行，其SEER均遠高ASHP系統。夏季運行可節能12％，冬季運行穩定，避免除霜能耗，節能效果更加顯著，可節能35％。

（2）系統分區獨立設計便于住戶根據使用需求，自由調節主機、埋管系統的開啟狀況，節能潛力更加顯著。

（3）GSHP系統換熱器深埋地下，無外掛設備，對城市熱環境、聲環境沒有影響，是一種在夏熱冬冷地區值得大力推薦的綠色空調系統。

參考文獻

[1]GBJ19-87采暖通風與空氣調節設計規范[s]

[2]張旭，太陽能——土壤熱源熱泵及相關基礎理論研究：[同濟大學博士后研究報告]，上海：同濟大學，1999

[3]謝汝鏞，地源熱泵系統的設計，現代空調（3），2001

[4]龍惟定，上海地區的BIN氣象參數，制冷技術，1990（4）