上海某高级别墅土壤热源热泵系统节能效果分析

摘要： 本文介绍了上海某高级别墅土壤热源热泵系统设计具体情况。采用BIN法分别计算别墅全年动态负荷分布及土壤热源热泵系统全年运行能耗。以风冷热泵系统为参考，对土壤热源热泵系统的节能效果做出综合评价。

关键词： 高级别墅 土壤热源热泵系统 风冷热泵系统 节能效果

1 引言

随着人民生活水平的提高和国民经济的高速增长，人们对居住环境舒适度和能耗要求越来越高。而如今自然资源的过度耗费，自然环境的严重污染，迫使人类不得不对自己所走过的道路进行反思。1992年联合国环境与发展大会制定并通过了《21世纪议程》，明确指出：节能、环保是人类可持续发展的两大主题。土壤热源热泵系统（GSHP）以其节能、环保和可持续发展的突出优点，成为空调供暖工程优先选择的方案之一。

2 GSHP系统的基本原理

它以大地作为热源（热汇），冬季将大地中的低位热能取出提高，对建筑供暖，同时储存冷量以备夏天使用；夏季将建筑内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量以备冬天使用。夏热冬冷的长江三角洲地区制冷与供暖的天数大致相当，冷热负荷基本相同。利用该技术可以充分发挥土壤的蓄热作用，达到环保节能的双重功效。

3 某高级别墅GSHP系统设计

3.1 建筑概况

该高级别墅群依托佘山国家旅游度假区，山体、森林、水系和绿化面积高达62%，自然资源优势突出。以某幢两层独立式别墅为例，建筑面积为950m²，功能分区明确，房间众多包括卧房、客房、起居室、餐厅、门厅等，地下一层设有娱乐、酒吧间、健身房、酒窖等。

3.2 土壤地质状况

地质钻探表明：佘山地区的浅层土壤是以粘土、砂粉土为主的软土，土壤比较潮湿，地下水位较高，较适合GSHP系统的应用。

3.3 室外设计参数[1]

夏季：室外干球温度为34℃，湿球温度为28.2℃，日平均温度为30.4℃，大气压力为100530Pa，风速为3.2m/s。

冬季：室外空调温度为-4℃，相对湿度为75％，大气压力102510Pa，风速为3.1m/s。

表1 室内设计参数

表2 房间负荷及机组主要参数表

注：斜体为制热工况。

表3 埋地换热器基本设计参数

表4上海地区2℃间隔、24小时运行的BIN参数

3.4 负荷计算及机组选型

鉴于别墅内房间众多，功能分区明确，同时使用系数低。空调系统采用分区独立设计，不同房间负荷及机组配置见表2。外墙开设新风口，直接引入主机回风静压箱，计算不考虑风系统引起的冷量损失。

3.5 埋地换热器设计

根据空调负荷分配，设置两组地下埋管系统，I号系统负责别墅地上一层需求，II号系统负担地下一层和地上二层空调需要。环路采用单U型竖埋管设计，同程式布置以保持环路间水力平衡。根据系统设计流量、阻力计算并考虑附加修正，I、II号系统各配置PTB40-125A循环水泵一台。换热器主要设计参数见表3。

4 GSHP系统节能效果分析

研究人员在分析空调系统能耗时，多采用负荷频率表法和满负荷当量法，这种方法虽然直观简便，但未考虑建筑的个体特性，误差不容忽视。本文选择BIN法进行别墅全年动态负荷及空调系统全年能耗计算。

4.1 BIN参数[4]

根据1984年的气象观测日报表，上海气象局用拉格朗日插值法，生成了全年8784小时（闰年）的逐时干球温度、相对湿度、风向、风速、气压、总云量、法向直射日射、水平面的散射日射等数据。基于上述数据，上海地区2℃间隔、24小时运行的BIN参数见表4，其中四个与建筑能耗有关的代表温度见表5。

表5 上海地区BIN参数关键温度

4.2 别墅全年动态负荷

别墅全年动态负荷见图1。

4.3 GSHP系统全年运行能耗

土壤热源热泵系统能耗主要包括水源热泵机组的功耗、埋地换热器侧循环水泵功耗、室内侧冷冻水循环水泵功耗、空调末端设备功耗。节能效果评价选择风冷热泵（ASHP）为参考，以冷热源侧运行能耗为主，不考虑室内侧循环水泵、末端设备功耗，见图4、5、6。

4.4 节能效果评价

本文使用季节能效比SEER（Season Energy Efficiency Ratio）来分析两种系统的运行性能。SEER定义如下：

计算可得：

ASHP系统夏季运行：SEER＝2.86

ASHP系统冬季运行：SEER＝2.69

GSHP系统夏季运行：SEER＝3.28

GSHP系统冬季运行：SEER＝4.14

显然，冬夏季运行，GSHP系统的季节能效比均远远高于ASHP系统，尤其冬季运行时，节能效果更加显著。

空调系统分区独立设计便于用户根据房间使用情况，自由调节主机、埋地换热系统开启。表6列举了GSHP系统若干运行工况分类，能耗比较见图7。

表6 工况运行参数

注：√代表系统开启；×代表系统关闭。

5 结论

本文介绍了上海地区某高级别墅土壤热源热泵系统设计情况。采用BIN法，分别计算了别墅全年动态负荷分布、GSHP系统全年运行能耗、ASHP系统全年运行能耗，并选择季节能效比SEER评价其节能效果。结果表明：

（1）GSHP系统冬夏季运行，其SEER均远高ASHP系统。夏季运行可节能12％，冬季运行稳定，避免除霜能耗，节能效果更加显著，可节能35％。

（2）系统分区独立设计便于住户根据使用需求，自由调节主机、埋管系统的开启状况，节能潜力更加显著。

（3）GSHP系统换热器深埋地下，无外挂设备，对城市热环境、声环境没有影响，是一种在夏热冬冷地区值得大力推荐的绿色空调系统。

参考文献

[1] GBJ19-87 采暖通风与空气调节设计规范[s]

[2] 张旭，太阳能——土壤热源热泵及相关基础理论研究：[同济大学博士后研究报告]，上海：同济大学，1999

[3] 谢汝镛，地源热泵系统的设计，现代空调（3），2001

[4] 龙惟定，上海地区的BIN气象参数，制冷技术，1990（4）