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摘要：针对户型较多的普通住宅小区、以洋房叠墅为主的改善型住宅群或者酒店式公寓型园区，可采用地源侧集中，地源热泵主机分散的半集中式地源热泵水环系统。

半集中式地源热泵水环系统设计包含地源侧换热器设计、集中水泵房设计、输配管网设计、分户能源机房设计、节能设计等。

关键词：地源热泵 半集中式水环系统 水力平衡 节能设计

一、前言

随着时代的发展，人们对生活及居住水平的要求不断提高，房地产行业的竞争越来越激烈，大部分新楼盘都选择精装交付，空调系统作为精装的一部分在整个房地产开发及营销中起到很重要的作用。

地源热泵空调系统作为高效节能，利用可再生能源的绿色空调系统依托近年的不断开发及推广，已广泛用于新楼盘的空调系统中，并随着群众对地源热泵系统的了解，市场接受度也越来越高。作为对外销售的精品房产项目，地源热泵系统可以增加销售亮点、提高商品房档次，在房产销售过程中，更具有销售及谈判优势。

地源热泵空调系统的设计及运用在不同项目中有着不同的系统形式，除常规的集中式地源热泵系统及分户式地源热泵系统外，半集中式地源热泵水环系统的运用有着其自身独特的优势。

二、地源热泵冷热源系统分类

现有的常规地源热泵冷热源系统主要分为集中式地源热泵冷热源系统及户式地源热泵冷热源系统。

集中式地源热泵冷热源系统常用于由户型面积较小的普通住宅、酒店式公寓等组成的多层建筑或高层建筑群，根据小区的体量设置一个或多个地源热泵空调系统，集中设置地源热泵土壤换热系统及地源热泵机房，空调冷/热水通过空调输配管网输送到各个楼栋及住房内。一个集中式地源热泵系统往往负责上百户或几百户的空调冷热源。

普通住宅小区或酒店式公寓具有户型小而多，人口居住密集但生活作息各不相同的特点，采用集中式地源热泵冷热源系统可根据空调使用特性，设置合理的同时使用系数，减少地源侧换热器的数量及集中机房的设备配置容量，有效节约初投资。后期使用过程中，集中地源热泵系统需配置全职空调系统维保人员，对小区内的集中地源热泵系统进行常规维护保养及系统故障时的及时报修。

户型地源热泵冷热源系统往往用于建筑面积较大的别墅等独立住宅。一户住宅单独采用一套地源热泵系统。即地源侧换热系统和地源热泵机房单独设置，地源侧换热器设置在自家院内，地源热泵机房设置在自家地下室内。

户式地源热泵系统完全独立，没有公摊部分，没有收费纠纷和疑点。各户单独管理及使用自己的地源热泵空调系统，自主使用及维保。

除以上2种最常见的地源热泵冷热源系统，针对户数较多的普通住宅小区、以洋房、叠墅为主的改善型住宅群或者酒店式公寓型园区，可采用第三种地源热泵冷热源系统：地源侧集中，地源热泵主机分散的半集中式地源热泵水环系统。即室外地埋管换热器集中设置，通过集中循环水泵及水环输配管网，将地源侧冷/热水输送至位于各单体建筑内设备平台的地源热泵小主机，由分户的地源热泵主机制取空调冷/热水，由主机内置空调侧水泵将空调冷/热水输送至户内各房间内的空调末端系统，如风机盘管、地面采暖系统或者毛细管辐射系统等。

三、半集中式地源热泵水环系统的设计与运用

1、系统的主要组成部分

半集中式地源热泵水环系统主要组成部分为地埋侧换热系统（含室外地埋管换热器、室外窗井、集中循环水泵房、辅助冷热源、地源侧水环输配系统）、户式地源热泵能源机房（含地源热泵主机、缓冲水箱、压差旁通阀等配套阀组）、末端空调系统（如风机盘管、地面采暖系统、新风系统、毛细管辐射系统等）。

主要特点是空调冷热源品质高、分户地源热泵主机独立设置、系统各自独立而又相互联系，各部分在运行中发挥各自的应有效能。

2、地埋侧换热系统的设计

利用DEST等空调负荷计算软件对各楼栋进行负荷模拟计算，并汇合计算整个系统负责的总全年冷热负荷，根据小区特性考虑合理的同时使用系数，并参考项目的土壤热物性测试报告的数据，计算出地源侧地埋管换热器的形式、有效深度及数量，并以此规划设计地埋管换热器的排布。

3、集中循环水泵房的设计

根据各单体建筑的分布，在中央区域设置集中水泵房，尽量减少管网输配半径，保证地源侧输配管网的水力平衡和节能性。

水泵房内一般可设置3台循环水泵，采用“2+4+4”的流量分配形式，即3台水泵的额定流量分别为系统总流量的20%、40%和40%，水泵均采用变频水泵。系统流量可以从0—100%切换，满足不同运行容量下的流量需求。

4、分户能源机房的设计

分户地源热泵主机与风冷热泵主机不同，不需要与室外空气换热，因此分户能源机房可设置成封闭空间，不会对建筑的外立面造型及感官造成不良影响。分户能源机房的空间大小根据地源热泵小主机的容量及规格确定，如小户型公寓等户型小而多的项目，可合并设置能源机房，多台地源热泵小主机设置在一个能源机房内。

当分户末端空调系统偏小，末端的负荷变化波动频繁时，可以在机房空调侧增加缓冲水箱，可以有效的解决系统过小带来的负荷波动和主机的频繁的启停问题，从而达到延长设备寿命、保证主机效率始终能够维持在高效运行，最终实现节能省电的目标。

5、户内末端空调的设计

户内末端空调系统为独立空调系统，各户互不影响，因此可以统一设置相同的末端系统，如风机盘管+地面采暖系统或者三恒科技系统，也可以由小业主自行决定末端空调系统的形式，实现系统的多元化，满足不同小业主的各类需求。

6、系统控制原理

（1）末端系统控制原理

当每户任一室内温控器开启时，该户的地源热泵主机对应源水侧电动阀打开，负荷侧循环泵、主机系统联动开启；当所有室内温控器关闭时，空调循环泵、主机系统与温控器联动关闭；开启与关闭时、停电、过冷过热系统保护后，不需要管理人员在空调机房内控制，空调系统就可以自动运行。

（2）水泵房能源输配原理

每台地源热泵小主机地源侧都安装了一个电动阀，并参与自控，当主机停机时，电动阀会联动关闭；

水泵房内循环水泵采用变流量控制，在每个地源热泵主机机房内设置一个现场控制器监控每户主机的开启状态；根据末端使用户数调整地源侧循环泵的频率，精确控制集中水泵房内地源侧循环泵流量，满足使用需求，并达到最大节能效果。

四、半集中式地源热泵水环系统的设计注意事项

1、同时使用系数的确认

半集中式地源热泵水环系统作用于居民住宅或公寓时，空调使用情况是不均匀的，即使在某一空调使用高峰时刻，园区内所有居民家中的空调同时开启的概率是非常小的，甚至可以说是不存在的。因此在设计计算地埋侧换热器数量时，需要引入同时使用系数，使集中空调系统的总装机负荷更接近真实情形，初投资和运行费用也相应减少，提高系统的经济效益。

同时使用系数的选用与系统负责的用户数量及生活作息习惯、园区体量及建筑性质、项目所在地的气候条件等多个影响因素有关。

根据相关文献，如《实用供热空调设计手册》、《住宅建筑空调负荷计算中同时使用系数的确定》、《区域供冷系统能源站冷负荷预测及同时使用系数的确定》等，一般同时使用系数可以取0.49-0.7。园区体量越大，同时使用系数取值可越低。

2、地源侧输配管网的水力平衡设计

半集中式地源热泵水环系统地源侧管路需要负责将地源侧的冷/热水输配到园区内的各个单体建筑内，管网长度往往达到上千米，如不进行合理的水力平衡管网设计，系统极有可能发生水力失调现象，从而导致部分区域的空调效果达不到设计要求，用户体验差，系统及设备效率降低，能源消耗增加。

因此在设计时，需充分考虑系统管网的水力平衡。主要措施如下：

（1）地埋管换热器管网的水力平衡。在每个地埋侧窗井内的二级集水器主管上设置静态平衡阀，通过调节静态平衡阀使每个地埋管换热器的流量都能达到设计要求。

（2）集中循环水泵房的设置。根据系统负责的各单体建筑的分布情况，将水泵房设置在中央区域，避免因部分楼栋的位置偏远导致整个系统的作用半径增大，减小各楼栋水平管网的不平衡率，降低水泵运行能耗。

（3）循环水泵至各楼栋立管的水力平衡。半集中式地源热泵水环系统需要将地源侧冷/热水输送到园区内的各个单体建筑内的立管内，为保证水平输配管网的水力平衡，系统可采用水平管网同程布置。当同程布置有困难或造价过高时，可采用异程布置加静态平衡阀的形式，在每个接至楼栋内立管的入户回水管上设置静态平衡阀，通过调节静态平衡阀来保证管网的水力平衡。

（4）竖向管网的水力平衡。楼栋内竖向管路每层直接与地源热泵小主机连接，连接小主机数量较多，如果在每层接小主机的支管上设置静态平衡阀，调试工作量及难度大，因此一般采用竖向管路同程布置的方式。

3、保证土壤热平衡的设计

土壤热平衡是关系到系统是否能够长期安全稳定运行的一个关键性因素，在我国夏热冬冷地区，项目总冷负荷一般大于总热负荷，又因为制冷工况运行时间大于制热运行时间，以至于放热量远远大于取热量，长期运行后，地下土壤/岩石温度将逐渐上升（术语称为：热堆积），制冷工况下的放热功率会呈现衰减的趋势，系统制冷工况的出力势必会越来越小，当地下温度上升到一定程度时，系统便无法运行。因此完全采用土壤热泵系统供冷供热不能满足长期运行的需要，需有其他辅助的方式来进行调节，才能保证系统的长期稳定运行。

半集中式地源热泵水环系统一般采用闭式冷却塔在夏季冷负荷高峰时段调峰，同时可以在土壤温度在一定时间内上升到一定程度时开启，抑制土壤温度继续上升。

在寒冷地区，当项目全年地源热泵系统的取热量大于放热量时，可采用风冷热泵机组作为系统的辅助冷热源，用于空调负荷高峰期的调峰及对土壤热平衡的调节。

5、地源侧输配管网设最小待机容量

采用半集中式地源热泵水环系统的项目往往是体量较大的整个园区，地源侧输配管网作用半径大，管网长，地源侧主机的启停信号对水泵房水泵的控制有着较长时间的信号输送延迟，为保证地源热泵小主机能快速开启工作，避免出现流量不足导致的主机故障报警。地源侧输配管网在规定空调运行时间内均需要处于待机状态，最小待机容量为开启水泵房内单台小水泵，小水泵的运行频率为35Hz。当末端空调使用需求流量超过最低待机容量时，自控系统智能调整水泵运行组合及运行频率，以满足末端使用需求。

6、集中水泵房最小流量水泵安全运行措施

在半集中式地源热泵水环系统中，集中循环水泵一般采用大小泵多泵并联运行的组合形式，此种组合形式，在单台小泵独立运行时，容易存在单泵无法启动运行的情况。究其原因，在于我们对循环水泵设计选型时，流量是按照所需的额定流量确定，但是扬程是按照满负荷时多台水泵全开时系统管网的阻力来确定的，当单泵运行时系统主管路中所需流量仅为满负荷时的几分之一，阻力与流速的平方成正比，此时这台水泵的实际运行工况点与设计工况点有一定的偏移。尤其小泵占的流量份额很小，这个偏移会相对较大，单泵会在低扬程、大流量的状态下运行，一般当流量超过额定流量的20%时，电气控制系统会对水泵进行保护停机，也就是出现了开不出来的情况。

针对这一现象，在集中水泵房设计时，在每台泵的出口设置带通讯功能的流量计，对每台泵均设置最大流量限止，当单泵运行时一方面根据需要的流量进行变频控制，同时根据最大流量限值对水泵进行保护，以保证系统的正常运行。

五、半集中式地源热泵水环系统的节能性设计

1、系统性节能

（1）采用地源热泵技术。从整个项目的空调系统基调上落实系统的节能性。

（2）针对体量较大的园区可以采用分区设计。将项目化整为零，缩小系统的作用半径，从而减少能源在管路输送时造成的能量损失。

（3）水环系统的设计。使用集中空调系统，往往会发生末端负荷需求低，而集中空调系统高负荷运行，导致能源浪费，运行成本增加的情况，水环系统的设计能有效解决了能源富裕损耗。

（4）地源侧水泵房优化配置的设计。利用合理的水泵容量配比，系统流量可以从0—100%切换，满足不同运行容量下的流量需求，系统运行更加节能。

2、系统节能控制

采用地源侧输配全智能化控制技术，电脑可根据末端实时需求负荷智能计算地源侧循环水泵的运行台数和运行频率，有效避免能源浪费。

3、节能设备的选用

（1）选用高效节能的地源热泵主机。选用能效比均大于节能规范要求的地源热泵主机，保证设备在运行过程中的节能性。

（2）地源侧变频水泵的使用。地源侧循环水泵采用变频水泵，可根据末端负荷需求变频运行水泵，从而达到节能效果。

六、总结

半集中式地源热泵水环系统结合集中式地源热泵系统和分户式地源热泵系统的特点，拥有以上2种系统的优点，避开它们的缺点，在体量较大的住宅小区或公寓园区中，优势明显，节能效果显著。主要有以下优点：

（1）系统可实现同时制冷和制热，保证不同年龄段人员对环境冷热的需求；

（2）小型热泵机组安装在小机房内，不需要单独大机房。公共区域只需要设置水泵房，管理简单。

（3）仅计量公共水泵房能耗，公摊费用较低，收费容易。地源热泵主机及末端系统能耗由小业主承担，基本可实现分户计量。

（4）系统一户一主机，公共部分仅为地源侧循环部分，并共用的循环水泵互为备用。当个别地源热泵小主机存在故障时，受影响的只是个别单户，整个空调系统不受影响。并且当项目初期入住率较低时，空调系统依然能正常运行，运行费用也会相对减少。

参考文献：

1、《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》—GB50736—2012；

2、《地源热泵系统工程技术规范》（2009版）—GB50366-2009；

3、《实用供热空调设计手册》中国建筑工业出版社

4、张蓓红，蔡龙俊.住宅建筑空调负荷计算中同时使用系数的确定[J].建筑热能通风空调，1999（01）：14-17.2

5、苏斌， 赵凯， 赵本坤. 区域供冷系统能源站冷负荷预测及同时使用系数的确定[J]. 重庆建筑， 2014， 第13卷（9）：12-14