维普资讯 http://www.cqvip.com 硫磷设计与粉体工程 ２００５年第２期 Ｓ Ｐ＆Ｂ１ＨＨ ＲＥＬＡＴＥＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ・３５・ 地源热泵空调系统的设计及应用 王前景 ，董安宁 （１、江苏工业民用建筑设计院，江苏南京２１０００８；２、南化集团设计院，江苏南京２１００４８） 摘要：地源热泵空调作为环保、节能的新型产品，符合我国提倡的可持续、节能、环保空调的大方 针。介绍了地源热泵的工作原理、特点，根据它在某工程中的实际应用，详细介绍了采用地源热泵空调 的可行性、地源热供回水干管设计，以及热交换器的选型与安装。 关键词：热泵；地下热；空调系统；设计；应用 中图分类号：ＴＫ５２３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００９—１９０４（２００５）０２—００３５—０３ 地下换热介质循环 工作介质循环供冷循环 １概述 随着现代社会的不断发展，空调已成为许多建 筑不可缺少的部分。根据我国现行提倡的环保、节 能、可持续发展的战略思想，选用环保、节能的新型 产品是发展的必然趋势。地源热泵空调冷热源具有 环保、节能等特点，符合我国提倡的可持续、节能、环 保空调的大方针。 ２地源热泵空调的设计 图１地源热泵空调的工作原理示意 ２．１ 地源热泵空调的工作原理 地源热泵空调通过埋设在土壤中甚至混凝土中 无冷却塔，无风机运行噪声，无飘水等热湿污染。 的传热管及管内流动的循环液与大地进行热交换， ４、夏季，土壤温度低于大气温度，排气压力低， 从而对建筑物内的温度进行调节。冬季，地源热泵 制冷压缩比下降，制冷效能比大幅提高，能耗大幅降 提取大地中低位热能，用于提高循环水温度，来对建 低，运行费用降低；冬季，土壤温度远高于大气温度， 筑物供暖，同时将冷量蓄存于地下，以备夏用；夏季， 无需融霜，可连续供热，制热系统能耗大幅降低。 地源热泵将建筑物内的热量转移至地下，对建筑物 对１００００ ｍ 的楼房供热１００ ｄ、供冷１００ ｄ，几 进行降温，同时蓄存热量，以备冬用。其工作原理见 种冷暖设备的初投资及运行费用如下： 图１。 初投资 运行费用 ２．２地源热泵空调的特点 地源热泵机组 ３５０ ｍ １８ ｍ 地源热泵空调与普通水冷冷水机、风冷热泵机 空气热泵机组 ２５０ ｍ ５０ ｍ 组相比，具有以下优点。 冷水机组＋锅炉 ２００元／ｍ ４０ ｍ １、地源热泵空调采用水系统换热器，制造成本 远低于空气换热器，且地下换热介质不会受周围环 ３工程应用实例 境污染。 由于北京地区夏季炎热、冬季寒冷，一般空调系 ２、地下换热部分采用防冻液，封闭循环，运行过 统多选用冷水机组加锅炉作为空调冷热源的组合。 程中不产生物质内外交换，换热器不易结垢，传热系 而在北京某高校建造的工程中，建筑物建在垃圾回 数很高，且不污染地下水。 填土上，可能会对空调系统造成污染，且业主要求空 ３、不用锅炉，节省了锅炉的初投资及燃料消耗， 调系统尽可能不使用锅炉，基本实现无人管理。根 维普资讯 http://www.cqvip.com ・３６・ 硫磷设计与粉体工程 Ｓ Ｐ＆ＢＭＨ ＲＥＬＡＴＥＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ２００５年第２期 据我国现行提倡的环保、节能、可持续发展的战略思 想，经方案比较，决定采用地源热泵空调系统。 ３．１ 采用地源热泵空调的可行性 １、作为新型空调系统，在使用前应在当地登记 并取得认可。该空调系统为环保、节能产品，取得认 可一般不会困难。 ２、使用地源热泵及采用土壤热交换系统还应考 虑当地的地质状况，包括松散土层在自然状态和负 载后的密度、含水层在负载后的状况、岩石层岩床的 结构，以及地下水质量和有无天然气及碳氢化合物 等。 当地的地质资料显示，该地区第四地层厚度约 为１６５ ｍ，平均温度为１４．５℃，纵向看地层岩性主要 为砂、砂石与黏性土互层，以河流沉积为主；地下 １６５ ｍ以下为硬度极高的岩石。地下静水位为一６ ｍ。该地块无天然气及碳氢化合物等。 笔者认为此地块适宜采用地源热泵空调系统。 针对地质情况，换热孔采用ＸＹ一１Ｂ型钻孔机（钻头 采用三翼刮刀钻具）正循环方式钻成，换热孔径为 １４０—１５２ ｍｍ，单孔深度为１５０ ｍ。钻孔采用泥浆护 壁。 ３．２地源热供回水干管集管 地源热供、回水干管集管如图２所示。 （ｃ）多通连接器乎面，④ 稳 图２地源热供回水干管集管示意 ３．３地环热交换器的选型与安装 地环热交换器分为水平土壤热交换器与垂直土 壤换热器。选用水平土壤热交换器，占地面积大、节 省初投资，施工方便。而选用垂直土壤换热器，占地 面积小，施工难度大，初投资费用高。 该校区共建五栋建筑物，其中一栋为高层，总建 筑面积为５０ ０００ ｍ ，且有地下建筑物。由于该校区 地处市区，建筑物周围可供水平土壤热交换器敷设 管道的面积有限，故选定为垂直土壤换热器形式。 又因该区地面以下约１６５ ｍ深处有硬度极高的岩 石，最终决定垂直土壤热交换器钻井深度为１５０ ｍ。 １、垂直土壤热交换器的构造 垂直土壤热交换器的构造如图３所示。 本设计采用双Ｕ形管热交换器，各换热孔间的 距离为４ ｍ。该型式与串联管路垂直式热交换器相 比，Ｕ形管直径更小、更容易制作，且换热孔直径相 应变小，既降低了管路费用、防冻液费用、钻孔费用， 又减少了人工费。 图３垂直土壤热交换器的构造示意 ２、土壤热交换器的塑料管材及配件 地源热泵系统管道的选材不仅影响水泵的扬 程、热泵的性能、热交换器的传热系数，也影响到初 投资和管道的维护保养费用。 由于聚氯乙烯管抗热膨胀和土壤位移压力的能 力弱，因此地环热交换器中不能使用ＰＶＣ管。该地 源热泵系统的地环热交换器采用聚乙烯或聚丁烯树 脂管道，管道连接采用套接或热熔。 ３、垂直土壤热交换器的安装 由于室外工程要处理系统复 、纵横交错的上、 下水管线，强、弱电电缆及暖通外管线等，且钻凿换 热孔是垂直土壤换热器安装过程中难度大、耗间长、 花费多的环节，按照外管总平面图钻凿换热孔尤为 重要。为了确保热交换器安装的成功率，在每一根 换热管进入换热孔前须进行水压试验，以免因管道 破损或其他泄漏问题而致该换热孔作废。 维普资讯 http://www.cqvip.com 硫磷设计与粉体工程 ２００５年第２期 Ｓ Ｐ＆ＢＭＨ ＲＥＬＡＴＥＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ・３７・ 硫酸装置余热发电电气设计要点 张 见 （南化集团设计院，江苏南京摘２１００４８） 要：硫酸装置余热发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性作用， 同时可提高硫酸装置生产的供电可靠性和经济效益。着重介绍了余热发电的发电机一次接线系统、二 次回路、保护设置、同期点和解列点设置及同期装置的选择等设计要点，指出电气设计中需注意的几个 问题。 关键词：硫酸装置；余热发电；电气；设计；要点 中图分类号：ＴＱ１ｌ１．１；ＴＭ９２０．２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００９—１９０４（２００５）０２—００３７—０３ １概要 随着我国国民经济的飞速发展，企业用电负荷 大幅增长与能源短缺之间的矛盾变得尤为突出。我 在余热发电设计中十分关键。笔者就硫酸装置余热 发电的电气设计谈几点看法。 ２发电机一次接线系统的设计 硫酸装置配套余热发电机组基本上都是小型机 国硫酸装置余热发电是上世纪７０年代由我院首创 并推广的技术，其原理是利用硫磺、硫铁矿在制酸过 程中化学反应所产生的大量热能，通过转换进入汽 组（２５ ＭＷ以下），其一次接线往往同整个硫酸装置 或全厂的电气主接线一起统筹考虑，它与电力系统 规划、设备选择、二次接线、电气设备布置等都有密 切的关系，是整个发电装置设计工作的重要环节。 轮发电机发电。合理利用能源和大力推广余热发电 装置是缓解部分地区电力供应紧张的一项有效措 施。对于一些地理位置偏远的硫酸生产厂，由于外 硫酸余热发电机的电压常见的有６ ｋＶ、１０ ｋＶ 两种，具体选择则根据发电机的许用电压及建设单 位所在地的供电电压来确定。 部供电网比较薄弱，余热发电的投运从某种程度上 来说可提高生产装置的供电可靠性，而且可大大降 低整个硫酸生产装置的运行成本，从而提高了企业 的经济效益。因此，在近２０年我院承接设计的绝大 硫酸装置余热发电与外部供电系统的连接一般 分为两种类型。 １、一些规模较大的企业已建有１１０ ｋＶ、３５ ｋＶ 部分硫酸项目中均配套有余热发电装置。电气设计 换热孔钻好后，将预备安装的ｕ形热交换器 （西３２ ｍｍ高密度聚乙烯管或聚丁烯树脂管，端ＶＩ要 盖住）安装到换热孔中，并立即将导管伸到换热孔 底部进行灌浆（灌浆材料为膨润土）。灌浆的主要 目的是为了增加土壤和热交换器之间的热接触面 积，防止各含水层之间的水移动。回填土前将各个 支管线和循环集管充水并试压，最后向系统充装适 间的阻力平衡，使得各地环热交换器间均匀分配热 交换液，从而达到很好的热交换效果。 ４使用效果 地源热泵空调为新型空调系统，且在５０ ０００ ｍ 建筑面积中采用该系统在国内尚属首例。经过一年 多时间的设计、施工，现已成功运行，效果很好，各项 参数均能满足空调设计要求。 ＼ 当浓度的抗冻剂，特殊情况下还需加入防腐剂。 由于各个地环热交换器的结构相似，管路阻力 作者简介：王前景（１９７１一），男，安徽来安人，工程师，长期从 事暖通专业设计与建设工作。 （收稿日期：２００４一ｌＯ一１２） 特性相差无几，要求从热泵机组至地环热交换器的 每根干管长度不可相差太大，以维持地环热交换器
