1 引 言
土壤源热泵系统使用的是可再生地热能，故其被称为21世纪一项最具有发展前途、具有节能和环保意义的制冷空调技术。土壤源热泵系统具有节省传统空调中热源部分的投资、节省空调系统维护费用、环境效益显著等优点。
2 工程概况
该工程为北京某住宅小区一期工程B型别墅，总建筑面积为495.08m2，地下1层、地上2层，建筑高度为8.05m。建筑室内总冷负荷为7.34kW，总热负荷为11.1kW。
3 空调系统设计
3.1 空调系统组成
空调系统由冷热源系统、室内辐射末端系统和独立除湿新风系统组成。
1）冷热源系统：土壤热泵系统（包括土壤热泵机组和地下换热器系统），夏季供回水温度为16℃/18 ℃；冬季供回水温度为35℃/31℃。
2）室内辐射末端系统：采用毛细管末端系统辐射供冷、供热。
3）独立除湿新风系统：采用新风除湿机+热回收新风机系统，承担新风负荷和室内全部潜热负荷。
3.2 新风除湿系统设计
1）新风系统设备
根据送风量和除湿负荷，选用1台新风除湿机组，名义工况参数为：新风量为400m3/h(低速300m3/h)，除湿量为5.8kg/h；夏季供回水温度为16℃/18℃，冬季供回水温度为35℃/31℃。同时选用1台全热回收新风机，风量为400m3/h。
2）新风系统形式
新风通过热回收新风机组回收室内排风的能量，然后进入新风除湿机组，经处理后送至各个空调房间，以满足房间湿度、新风要求。新风采用地板送风（采用条缝型风口，其上均带风口调节阀）、排风采用上回风，各房间通过消声回风口向开敞式走道排风，然后通过走道集中回到热回收新风机。在极端气候条件下（湿度较高的天气等）或系统初期运行时，除湿系统采用全回风运行，以保证系统的安全。
3.3 毛细管末端系统
设计的辐射末端为毛细管席，毛细管敷设在顶棚、墙上和地板上。毛细管席是辐射供冷供热末端的一种，利用充满水的毛细管进行换热，类似于自然界中植物的叶脉和人体皮肤下的血管。毛细管席辐射系统的最大优点是：热舒适性高；室内没有吹风感；没有空气流动带来的噪音；由于管径只有3.35 mm（壁厚0.5mm），占用建筑空间小；系统热惰性较常规冷暖辐射地板系统小，反应速度快，温度控制容易实现[2]。
毛细管末端通过辐射供冷供热，仅承担夏季室内显热负荷和冬季热负荷，根据各主要房间的冷热负荷计算结果，进行毛细管选型和布置（毛细管实际铺设面积在理论计算值的基础上考虑了10%的富裕量），详见表1。
表1 各房间毛细管敷设面积
3.4 系统冷热源
根据上述负荷计算结果及设备选型，空调主机夏季需承担的冷负荷为建筑冷负荷+新风除湿机组的部分冷负荷，共计8.64kW；冬季需承担的热负荷为建筑室内热负荷+新风热负荷，共计12.74kW。所以选用一台HLRSW18B的土壤热泵机组，单台机组制冷量为18kW，制热量为13.7kW。
3.5 土壤热泵系统地下换热器设计
地下系统按夏季和冬季工况分别考虑，取两者最不利情况下的计算结果作为依据。采用专用软件，热响应试验模拟结果见图1、2。
图1 第25年地下流体温度变化曲线
图2 运行25年期间地下流体温度变化曲线
1）埋管形式
土壤热泵的地下埋管形式有竖直埋管和水平埋管2种形式，该工程采用竖直埋管中的双U型管，相比水平埋管，在同样换热效果的情况下，占地面积小。
2）埋管深度
根据工程特点，采用深度为102m（有效埋深100m）的浅埋管形式。
3）管路计算
根据专用软件模拟确定该建筑地下换热器为4个深度为102m（有效埋深100m）的竖直埋管，即在别墅周围钻4个深102m的孔，沿建筑物基础外2.5m处均匀布置，间距为6m。由于地面以下10～100m深的土壤温度全年基本稳定在14～17℃，地下换热器夏季可将空调机组的冷凝器排热传递给土壤，冬季则可从土壤中吸收热量，传递给空调机组。地下换热器内介质为闭式循环，主要设备见表2。
表2 主要设备技术参数表
3.6 空调系统控制方案
1）土壤热泵空调主机控制：机组上设有控制面板，可直接控制机组启停和运行模式；或由供水温度自动控制机组启停。
2）除湿新风系统控制：新风除湿机组自带控动。新风除湿机组和全热回收机组联动控制启停。
3）室内温度和室内侧水系统控制：在每层设置一个温度控制器，通过控制主管路上的电动通断阀门开关，来控制各层的温度。当某层不用空调时，关闭温控器，主管路上的电动通断阀处于关断状态；当某层温控器为开时，主管路上的电动通断阀根据温控器的房间温度设定值选择通、断状态。
4）防结露保护：在每层设置一个露点开关，控制各层主管路上的电动通断阀开关作为防结露保护。除温控器、露点开关外，其它控制部件集中安装在集分水器或机房控制箱内。
4 运行费用分析
根据该建筑全年累计冷热负荷，计算得出建筑全年空调通风系统耗电量为21.74kWh/m2，按电价0.54元/kWh计算，全年运行费用为11.74元/m2。超过“5L房”标准要求的建筑物年能耗指标，达到业主要求的健康、舒适、微能耗的标准。
5 总 结
土壤源热泵机组利用土壤中储存的能量，夏季制冷、冬季制热，属于清洁可再生能源，高效节能、运行费用低、不污染周边环境、环境效益显著。
本文设计的空调系统初投资比传统空调方式高，但由于其具有高效节能特点和良好的环境效益，已成为21世纪空调系统发展的新趋势，在全球范围内得到了越来越广泛的应用。