地源热泵技术在工业领域的应用，可以大大节约煤炭等有限资源。它将工业废气、废水中的余热再次利用，有效降低高温的废气废水排放到自然环境中造成的热污染。目前已经有部分企业做出了很好的尝试，工业建筑能耗问题得到了很好的解决。

地源热泵技术以前主要是利用地下水，通过技术和设备获取地下水的热量。浅层地下水即便储量丰富，采集地下水终究对地质情况的要求较为严格，长时间采集容易造成一定区域内地下水匮乏，采集深层地下水还需配合回灌技术。因此，将地源热泵应用在工业领域，是地源热泵技术的一大突破，做到了既不破坏地下水资源，又能节约有限资源，同时减少污染。

节能、减排、降耗是现代工业与民用建筑一直需要解决的问题，本文通过对地源热泵空调系统的介绍，详细了解热泵在工业建筑中实现节能、降耗的作用。

1、引言

地源热泵是利用地球表面浅层水源（如地下水、河流和湖泊）和土壤源中吸收的太阳能和地热能，并采用热泵原理，既可供热又可制冷的高效节能空调系统。即输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地下去。它不向外界排放任何废水、废气，能有效保护环境，是一种高效、节能的可再生能源空调系统形式。

2、工程概况

本厂房总建筑面积约9000m2，共三层，其中一层为冲压车间，二层为模具车间，三层为成品仓库，一层、二层采用舒适性空调，三层采用调温型除湿。建设地属于夏热冬冷地区，夏季有制冷要求，冬季有制热要求，满足地源热泵的先决条件。

3、空调负荷

本工程地源热泵空调主要用于车间一层和二层。本工程负荷特点：⑴、车间内具有设备散热(且比较稳定)，占总冷负荷的绝大部分；⑵、本车间围护结构的负荷只占很小一部分，可视为比较恒定的；⑶、夏季冷负荷高，冬季热负荷小；⑷、车间只对温度要求，无湿度要求。

空调面积约6000m2，按杭州气候参数，夏季条年使用120d，冬季使用90d，每天按10个小时计算。根据负荷计算软件算得本车间夏季最大冷负荷为1170kW，冬季最大热负荷为610kW。根据全年动态负荷计算结果，夏季总冷负荷累计约为1160000kWh，冬季总热负荷累计约为450000 kWh。

由于夏季的总冷负荷和冬季的总热负荷相差悬殊，本项目以冬季的热量来选择供热方式，而夏季其余部分采用冷却塔解决。

4、地质勘探及换热参数测试

本工程前期地质勘探及换热参数测试由浙江某地质勘探院完成，通过现场勘探及实际换热试验，提供了本次设计最关键的设计参数。

4.1、地质勘探

根据钻探结果，可将底层分为7个工程地质层，10个亚层，详见下简表：

4.2、换热参数测试结论

(1)地埋管深度为75米，φ32单U管（PE聚乙烯管）平均单孔放热功率为3.72kW，平均单孔取热功率为3.17kW。

(2)通过双桥静力触探试验，地埋管孔在桩基础50cm以外施工基本不影响。

(3)本项目适合采用土壤源热泵技术。

5、冷热源选择

无论从空调冷热负荷及全年动态负荷来看，该工程全年的总冷量远大于总热量，为保持土壤的热平衡，以冬季负荷为依据设计地埋管系统，即冬季热负荷全部由地埋管及地源热泵机组系统承担，夏季空调冷负荷部分由地埋管承担，其余的采用冷却塔补充。

方案一：一台地源热泵机组+一台水冷冷水机组，冬季采用地源热泵机组供暖，夏季采用地源热泵机组和水冷冷水机组共同供冷。

方案二：两台地源热泵机组，冬季采用其中一台地源热泵机组供暖，夏季采用两台地源热泵机组供冷。

因地源热泵机组没有水冷冷水机组的COP值高，因此方案一的初投资以及运行费用比方案二低。但因业主要求以及项目的特殊性，本项目不设额外备用机组，但要求所设的两台机组能在冬夏季互为备用，以保证其中一台机组检修时，空调系统还能正常运行，维持生产车间的正常工作。

综上所述，本工程选用两台一样的地源热泵机组作为冷热源，两台机组冬夏季都可相互备用，冬季由一台机组供热，夏季由两台机组供冷。由于本车间夏季冬季负荷相差悬殊，因此，夏季设两台冷却塔，补充夏季冷负荷。

根据冬夏季负荷选择地源热泵机组，两台地源热泵机组，每台制冷量为585kW，制热量为616kW，制冷时COP为5.06，制热时COP为4.61。夏季：负荷侧进出水温度7/12℃，冷却侧32/37℃；冬季：地源侧10/5℃，负荷侧45/40℃。空调末端为常规设计，采用吊顶式空调及风机盘管。

6、地源热泵系统设计

6.1、地源热泵系统流程图设计

根据以上的结论，地源热泵系统流程简图如下：

说明：

1)“夏季制冷1”：地下冷热负荷平衡后，夏季制冷状态；“夏季制冷2”：地下冷热负荷平衡前，夏季制冷状态；“夏季制冷3”：地下冷热负荷平衡后，DYRB-1.2检修时的制冷状态；“夏季制冷4”：地下冷热负荷平衡后，DYRB-1.1检修时的制冷状态；“夏季制冷5”：地下冷热负荷平衡前，DYRB-1.2检修时的制冷状态；“夏季制冷6”：地下冷热负荷平衡前，DYRB-1.1检修时的制冷状态；“冬季制热1”：冬季开DYRB-1.1的制热状态；“冬季制热2”：冬季开DYRB-1.2的制热状态。

2)DYRB-1.1与DYRB-1.2冬夏季时都可互为备用，即在一台设备检修时，可保证冬季全部热负荷和夏季部分冷负荷。

3)夏季使用天数为120d，冬季使用天数为90d；根据全年负荷情况，地源热泵冬季使用天数为90d，地源热泵夏季使用天数约为95d，其余部分由冷却塔解决；同时通过地下土壤以及冷却回水温度监测，分析地下土壤长时间的温度变化，从而在保证系统最大节能运行。

6.2、地埋管的形式及布置

根据地质勘探的分析报告，综合考虑各种因素，本工程地源换热系统设计为垂直单U形地埋管系统，经分析，采用Dn32的单U形地埋管系统，钻孔孔径取150mm，管路布置采用并联多环路异程系统，尽量布置在生产车间旁的绿化带上面，不足部分布置在生产车间的正下方。连接地源井的水平支管采用4～5口井一回路，同程式连接，根据地埋管孔布置图设置单级分集水器，共6个并联环路，并在集水器上设置平衡阀，水平埋管深约2米，系统最高点设自动排气阀。

经计算，共需地埋管孔数200个，考虑一定余量后实际钻孔数为240个，钻孔间距最小为4m，个别孔位根据现场情况适当调整。地下地埋管布孔平面简图如下：

6.3、地埋管的管材及连接

地埋管采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热率大，流动阻力较小的聚乙烯(PE)管，地埋管的质量应符合“给水用聚乙烯(PE)管材”GB/T13663及“冷热用聚乙烯（PE）管道系统”GB/T19473.2的要求，管材公称压力为1.6MPa，U形竖直埋管采用Dn32的PE管。连接管道小于等于Dn63采用电熔连接，大于Dn63可采用热熔连接。管道的施工必须满足“埋地聚乙烯给水管道工程技术规程”CJJ101-2004的有关规定。

6.4、地埋管长期运行的可行性分析

通过夏季冷冻水冬季热水的流量累计，转成负荷来估计夏季的地源侧的运行时间。并通过传感器不断检测夏季冷却水（地源侧）回水温度，当回水温度达到32°时，地源侧的冷却效率就会低于冷却塔效率，此时需关闭地源系统，开启冷却塔系统。而相对冬季而言，随着土壤温度的升高，其运行效率将更加高效。

7、设计总结及建议

根据本工程设计可以得出以下结论及建议：

(1)通过本工程的地源热泵设计，可见地源热泵系统在工业厂房中也是可行的。地源热泵不仅高效、节能、环保，其运行费用比传统中央空调系统大约低25%，鉴于地源热泵初投资比较大，如果没有相关政策补贴，很难在工业厂房中推广。

(2)为了降低初投资以及运行费用，夏季冷负荷宜由水冷冷水机组（冷却塔散热）+地源热泵机组（地埋管散热）共同承担，冬季热负荷全部由地源热泵机组（地埋管吸收）承担。

以土壤作为热源，冬季从土壤中吸取热能，通过热泵系统实现供暖；夏季将热量释放到土壤中，满足制冷、制热、生活热水需求；不受室外环境影响，稳定可靠，高效节能；运行费用低，维护费用低，目前公认对环境最友好的制冷制热系统。

基本原理是以土壤作为低位冷/热源(载体)，冬季利用埋入地下的管道环路(地下换热器)从土壤中吸取热能，通过热泵系统实现向建筑物的供暖；夏季从建筑中吸取热量，通过埋入地下的管道环路将热量释放到土壤中，实现向建筑的供冷，冬夏两用。是目前公认的对环境最友好的制冷制热系统。

a) 系统优点

(1)、一机多，可同时满足制冷、制热、生活热水需求；

(2)、供冷/供热不受室外环境影响，稳定可靠，高效节能；

(3)、运行费用低，仅为常规系统的65%；

(4)、夏季可提供几乎免费的生活热水；

(5)、末端形式多种多样，系统维护费用低；

b) 系统缺点

(1)、设计、施工要求高，初投资高；

(2)、使用受到场地限制，没有足够的场地满足不了能量交换

(3)、施工工艺较为复杂，品质要求高；