2.2 混合式地源热泵系统设计
2.2.1 混合式地源热泵系统形式
由2.1节可知，该建筑物累计冷热负荷比为3.88，存在很大的冷热不平衡。为了避免出现土壤热累积现象，选用冷却塔作为辅助冷源，承担高出冬季的多余冷负荷。冷却塔—地埋管混合式地源热泵系统按冷却塔和地埋管的连接形式不同可分为串联式混合地源热泵系统和并联式混合地源热泵系统。由于并联式混合地源热泵系统能实现多种工况运行，例如地埋管可以单独作为系统冷热源，冷却塔也可以单独作为系统冷热源，以及地埋管与冷却塔同时作为系统的冷热源，并且并联式混合地源热泵系统中的水流量可随工况的不同而改变，能耗可相应降低［25］。所以本文采用并联式混合地源热泵系统。该冷却塔—地埋管混合式地源热泵系统示意见图2-4。
图2-4 冷却塔—地埋管混合式地源热泵系统示意图
该系统热泵机组冷热源侧的循环液从热泵机组流出后，一部分进入地埋管与土壤换热，另一部分与冷却塔侧的板式换热器换热，之后汇合进入热泵机组。
2.2.2 基于GLD软件的混合式地源热泵系统设备选型
本文基于GLD软件进行系统设备的设计和选型。接地环路设计软件（Ground loop Design，GLD）是一种模块化的地源热泵系统地下环路设计专业软件，由美国加利福尼亚州Gaia Geothermal公司设计、开发，由明尼苏达州Thermal Dynamics公司销售并提供专业技术支持。该软件在美国十几年实际工程科研应用中成功支持了众多大、中、小型商用地源热泵系统和小型民用系统的设计和施工，目前也越来越多地被国内的设计院和研究所采用［26］。
使用该软件时需要输入建筑物全年冷热负荷值，在软件内选取合适的热泵机组型号，并设定埋布局形式、循环液属性、土壤热物性参数等即可进行系统设计及设备选型。
1.热泵机组选型
输入全年逐月冷热负荷值，见图2-5。设定相关参数后，本文选用型号为Hydron W series W 024的水—水热泵机组一台，对应的性能参数见表2-2。
图2-5 建筑逐月累计负荷
表2-2 热泵机组性能参数
2.地埋管换热器
依据《地源热泵系统工程技术规范》［27］中的有关规定，本文埋管形式选用垂直单U埋管，管材选用PE管，地埋管换热器设计参数见表2-3；循环液选取水溶液，其物理属性见表2-4；根据该地区的相关资料，假定武汉地区的岩土热物性参数见表2-5。
表2-3 地埋管换热器设计参数
表2-4 循环液物理属性
表2-5 土壤热物性参数
设定在制冷模式下机组的进出口水温为30℃/35℃，在制热模式下机组的进出口水温为10℃/6.5℃。以地下温度变化为0℃为目标值，计算冷却塔承担的夏季冷负荷。按满足冬季工况要求计算地埋管换热器总长度。经GLD软件计算，该办公楼所需要的地埋管换热器总长度为5968.7m，井孔数为60，井孔布局按6×10排列，井孔间距为6m，井孔深度为99.5m，地埋系统循环液总流量为69.1 m3/h。其中冷却塔承担夏季峰值冷负荷的84%，冷凝功率为662.5kW，冷却塔流量为117.2m3/h。
3.冷却塔选型
武汉夏季设计湿球温度取28℃，根据GLD计算结果选取良机公司生产的圆形逆流玻璃钢冷却塔一台，设备参数见表2-6。
表2-6 冷却塔性能参数
4.水泵选型
冷热源侧循环液总泵根据实际需要设定其扬程为20m，其承担的流量为地埋管循环液流量与经过冷却塔板式换热器循环液的流量总和，为186.3m3/h。冷却塔泵设定其扬程为11m，流量为冷却塔水流量117.2m3/h。本文选取冷热源侧循环液总泵和冷却塔泵各一台，选取型号及参数见表2-7。
表2-7 水泵性能参数
5.板式换热器
板式换热器最大换热量即为冷却塔的设计容量，循环液的设计温度为32℃/37℃，一般考虑冷却塔设计工况为可以将冷却水降至比湿球温度高2℃，武汉市的夏季设计湿球温度为28.3℃，故此处设定板式换热器冷热水侧的设计温差为2℃。则板式换热器单位温差换热量为:662.5kW/2℃=331.3kW/℃。
6.冷却塔控制策略
采用热泵进出口温差控制法控制冷却塔的启闭。当热泵机组进口水温度高于当地湿球温度2℃时，开启冷却塔；当热泵机组进口水温度低于当地湿球温度1.5℃时，关闭冷却塔。