0 引言
暖通空调系统方案的设计是一个直接关系到暖通空调工程项目成败和经济效益优劣的重要问题。暖通空调方案的比较和优选是一个涉及面广、影响因素多的复杂技术工作，要综合可行性、经济性、调节性、安全性以及环境影响等方面进行分析。
空调建筑的冷、热负荷计算是一切空调工程设计的基本依据。冷、热负荷计算是确定维护结构传热负荷的依据；是权衡外窗玻璃的天然照明效果和遮阳效果的依据；是合理确定冷、热源的容量与台数配置，通过优化控制策略实行经济运行的依据；是正确、合理确定空调方式与空调水系统方案的依据。因此，准确的空调负荷的计算是一个优秀的系统设计方案的基础。
本文以实际工程为例，介绍无锡某土壤源热泵空调系统方案的设计。根据清华大学的DeST模拟运算软件对建筑进行空调全年逐时动态负荷模拟计算的结果，并综合考虑各种影响因素，确定空调系统方案。
1 工程概况及可行性分析
本工程无锡医疗中心H区1~5楼办公区域和实验室，建筑面积18400m2，采用地源热泵空调系统。
空调室内、室外设计参数
| 夏季空调计算 干球温度 | 夏季空调计算 湿球温度 | 冬季空调计算 干球温度 | 冬季空调计算 相对湿度 |
| 30.1℃ | 28.6℃ | -5℃ | 76% |
| 夏季室内温度 | 夏季室内相对湿度 | 冬季室内温度 | 冬季室内相对湿度 |
| 26℃ | 60% | 20℃ | 40% |
2 空调全年动态逐时负荷计算分析
采用DeST模拟运算软件，对建筑进行空调全年逐时动态负荷模拟计算。夏季空调负荷计算按照系统运行时间为150天计算，从5月1日到9月27日，根据本工程建筑的用途主要是办公室和实验室，空调系统采用间歇运行的方式，从8：00到19：00，每天空调运行11个小时，整个供冷季空调运行时间1650小时。冬季空调负荷计算按照系统运行时间为100天计算，每天空调运行时间也是从8：00到19：00，整个供热季空调运行时间1100小时。利用软件对整栋办公楼建筑的全年累计供冷量、累计供热量与最大小时冷负荷、最大小时热负荷进行计算与分析。负荷累计计算结果如图1。
图1 空调全年逐时负荷计算的结果
图2 夏季空调部分负荷运行情况
图3 夏季日逐时冷负
3空调系统方案
根据无锡医疗中心 H 区办公区域和实验室的使用功能要求与建筑结构设计特点，并结合全年逐时负荷计算的结果，来确定该工程空调冷热源设备的设计容量、运行方案。
3.1 冷热源选择计算
以利用可再生地热能作为热泵系统低位热源的土壤耦合热泵系统，被成为是 21 世纪的一项以节能和环保为特征的最具有发展前途的绿色空调技术 [4] 。本工程采用土壤源热泵作为空调主要冷热源。
根据全年逐时负荷计算夏季累计总负荷 1 ， 864 ， 758kW ，冬季为 351 ， 580 kW ，冷负荷远大于热负荷。负荷的不平衡导致土壤这个冷热源每年的吸热量和放热量不平衡，但大地作为一个巨大的系统，由于太阳辐射，土壤本身之间的热传导、地下水分迁移等因素都对土壤温度的稳定有积极的影响。因此，设计在土壤换热器埋设置热电偶温度计进行土壤温度实时监测，在土壤温度超过一定温升启动辅助冷却塔调节热量，确保土壤温升控制在可靠范围内使整个土壤换热器正常运行。并且采用冷却塔作为辅助冷源，夏季负荷高峰时启动冷却塔辅助冷却，也可以调节土壤吸热、放热的平衡。
根据负荷计算结果，如图 1 所示。从图 1 中可以看出，每年的 3 － 5 月以及 9 － 12 月之间有一段间歇期，这对于地下换热器的稳定运行是比较有利的因素。
3.1.1 地源热泵换热器计算
土壤换热器长度确定
对建筑的使用区功能进行分析，很多房间用途为试验室和办公室，其同时使用系数较小，空调系统在实际运行过程中，夏季的冷负荷较峰值负荷小很多，因此从节能和降低投资成本的角度出发，在确定埋管换热器长度时，以确保满足冬季供暖负荷的前提下，结合现场的埋管面积以及初投资分析确定钻孔数量和冷却塔容量。
3.1.2土壤换热器钻孔数量确定
根据土壤分层传热系数等资料、模拟计算数据，并依据国内高校相关实验数据，结合实地土壤换热器现场试验测试数据、实际相似工程现场测试情况修正得出结果。由于篇幅限制，具体计算过程省略。系统采用U型土壤换热器，钻孔深度80米。根据桩位图确定钻孔432个，设计总钻井深度为35000m。夏季最高放热量为2100kw。冬季最高取热量为1400kw。
3.1.3土壤换热系统室外连接管布置方式设计
U型管和室内水系统连接的这段水平布置的管路称为室外连接管，室外连接管主要有集管式和非集管式两种。集管式连接管，即采用两稍大口径的管材将U型管进水支管和出水支管分别连接起来；非集管式连接管，即将每个钻孔的进出水管分别独立引入室内须设立分水器和集水器，好处是可以方便调节，如能结合水平埋管地下换热器的布置形式效果更佳。
由于在大楼建筑物基础下埋管，大楼竣工投入使用后，一旦基础下埋管部分出现漏水等现象是无法进行修复的，因此必须在设计和施工上进行周密的考虑。从确保系统安全性的基础上出发，并且保持各环路之间得水力平衡采用了非集中式、同程室外连接方式，将每根PE管直接连接到检查井集分水器，同时在水平管上铺设保护层细砂再浇铸混凝土，既确保了大楼基础的可靠性，又避免了大楼沉降等因素对PE管的损坏，同时又降低了施工焊接难度，确保施工进度和质量。这样在基础下面几乎就没有任何接口，避免了采用异径三通连接水平总管而造成接口偏多，安全隐患多的问题。
4 主要设备选择及运行方案
4.1主要设备选择
主机：根据负荷分析结果，最大负荷为2442kW，选用2台意大利克莱门特水/水螺杆热泵主机，单台制冷量是1214.5 kW，输入功率263 kW，冷却水流量254.7 m3/h，制热量。辅助冷却塔流量250 m3/h。
循环水泵：2台冷冻水循环泵，流量187m3/h，扬程30m，电机功率30kw；
3台冷冻水循环泵，流量：235m3/h，扬程28m，电机功率30kw。
4.2运行方案
土壤源热泵分为两个系统，各自与一台主机相连，冷却塔与其中一台主机相连，在平时，冬、夏二季均采用地埋管就可满足空调需要；在特殊（负荷很大）时期，启动备用冷却塔，以达到确保使用效果和节能的目的，同时启动冷却塔能够解决地下土壤换热平衡问题。螺杆冷水机组采用VSD（variable－speed device）调节法在较大负荷变化范围内均能实现经济运行，尤其在低负荷下，节能效果更为明显。
5 结论
工程采用土壤源热泵系统作为主要冷热源，以全年空调动态负荷计算结果为依据，从可行性，经济性，操作性，环境影响等方面进行分析，确定系统方案。土壤源热泵空调系统是高效节能清洁空调，虽然初投资比较高，但运行费用节省，几年内就能收回投资。
参考文献：
[1] 汪训昌，林海燕，杨书渊,等.空调全年逐时动态负荷计算能提供什么信息和回答什么问题？——一栋办公楼空调全年逐时动态负荷计算的结果及其分析.暖通空调，2005，35（10）：44－53
[2] 谢晓娜，宋芳婷，燕达，江亿.建筑环境设计模拟分析软件DeST——第二讲 建筑动态热过程模型.暖通空调，2004，34（8）：35－47
[3] 李兆坚，暖通空调设计方案比较的一些问题. 暖通空调，2003，33（5）：89－91
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