土壤源熱泵技術(shù)應(yīng)用

雷維君

地源熱泵空調(diào)技術(shù)是一種利用淺層地?zé)崮芡ㄟ^(guò)熱泵技術(shù)將低位能向高位能轉(zhuǎn)移，以實(shí)現(xiàn)供熱制冷的高效節(jié)能的供熱空調(diào)技術(shù)。冬季淺層地?zé)崮艿臒崃勘惶崛〕鰜?lái)，通過(guò)熱泵提升溫度后，給室內(nèi)供暖。夏季，通過(guò)制冷循環(huán)將室內(nèi)的熱量取出來(lái)釋放到地下，同時(shí)對(duì)建筑物進(jìn)行供冷，夏季釋放的熱量可作為衛(wèi)生熱水熱源回收利用，所以，地源熱泵技術(shù)在酒店等此類有全年衛(wèi)生熱水要求的建筑中得到了廣泛應(yīng)用。

1 工程概況

本工程分為5個(gè)區(qū)，共有單體20多個(gè)，每個(gè)單體均為2層～3層建筑，主要功能有餐飲、娛樂(lè)、會(huì)議、客房、游泳池等。占地9.3 萬(wàn) m2，地上建筑面積約1.43萬(wàn)m2，地下建筑面積約1.21萬(wàn)m2，容積率為0.153，鳥(niǎo)瞰整個(gè)園區(qū)像盛開(kāi)的一朵花的五個(gè)花瓣。每個(gè)單體之間及單體與園區(qū)圍墻之間有大量的綠地面積。除地下車(chē)庫(kù)及設(shè)備用房外均要求設(shè)置中央空調(diào)，周?chē)鸁o(wú)城市熱力管網(wǎng)，且要求冷熱源低碳環(huán)保。

2 前期準(zhǔn)備

根據(jù)本工程既要滿足低碳環(huán)保，又有足夠的地埋管空間的現(xiàn)狀，選用地源熱泵作為冷熱源。由于我國(guó)在土壤源熱泵技術(shù)的應(yīng)用方面處于起步階段，而地埋管換熱器的傳熱性能隨著施工地點(diǎn)的地質(zhì)構(gòu)造不同發(fā)生很大變化，因此，有必要采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法進(jìn)行地埋管換熱器的實(shí)地試驗(yàn)研究，為土壤源熱泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠運(yùn)行提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了準(zhǔn)確掌握工程地點(diǎn)的地質(zhì)情況和地下熱物性參數(shù)，進(jìn)行了地埋管實(shí)驗(yàn)孔安裝和地下熱響應(yīng)測(cè)試。采用單u地埋管測(cè)試。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和推導(dǎo)的傳熱模型，得到項(xiàng)目地點(diǎn)的地下綜合熱物性參數(shù):導(dǎo)熱系數(shù)為1.54 W/(m·K)，巖土初始平均溫度約為16℃。夏季換熱能力為54.83 W/m。冬季換熱能力為31.73 W/m。

3 地源熱泵冷熱水機(jī)組設(shè)計(jì)

1)建筑物空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果:冬季最大熱負(fù)荷為1 700 kW，夏季最大冷負(fù)荷為2 200 kW。2)建筑物游泳池和高溫池及客房等最大用衛(wèi)生熱水負(fù)荷為1 200 kW;游泳池和高溫池維溫負(fù)荷為450 kW。3)根據(jù)以上數(shù)據(jù)選擇機(jī)組如下:a.螺式地源熱泵機(jī)組(高溫型)。制冷量1 137 kW;制熱量1 080 kW;COP=5.93;EER=3.44。b.螺桿式地源熱泵機(jī)組(高溫?zé)峄厥招?。制冷量1 137 kW;制熱量1 080 kW;回收熱量1 080 kW;COP=5.93;EER=3.44。c.螺桿式地源熱泵機(jī)組(衛(wèi)生熱水型)。制熱量497 kW;EER=3.9。

夏季開(kāi)啟編號(hào)為a和b機(jī)組或部分負(fù)荷時(shí)優(yōu)先開(kāi)啟機(jī)組b，回收熱量滿足夏季最大衛(wèi)生熱水用熱負(fù)荷;過(guò)渡季節(jié)開(kāi)啟機(jī)組c滿足部分衛(wèi)生熱水負(fù)荷;冬季應(yīng)優(yōu)先保證空調(diào)用熱負(fù)荷開(kāi)啟機(jī)組a和b，空調(diào)用熱為部分負(fù)荷時(shí)開(kāi)啟機(jī)組a或b及機(jī)組c，冬夏季不足衛(wèi)生熱水負(fù)荷由輔助熱源提供。

4 地埋管換熱器設(shè)計(jì)

土壤源熱泵機(jī)組的綜合COP(能效比)冬季3.44，夏季5.93。根據(jù)空調(diào)負(fù)荷求出冬季最大地下取熱負(fù)荷為1 207 kW，夏季最大散熱負(fù)荷為2 572 kW?？照{(diào)冬季從土壤吸收的熱量和夏季向土壤排放的熱量可以由下述公式計(jì)算:

其中，Q1為冬季從土壤吸收的熱量，kW;Q2為夏季向土壤排放的熱量，kW;Q熱為冬季最大熱負(fù)荷，kW;Q冷為夏季最大冷負(fù)荷，kW。夏季向土壤排放的熱量按滿負(fù)荷計(jì)算為:夏季空調(diào)向土壤排放的熱量－衛(wèi)生熱水回收量，其值為1 492 kW，過(guò)渡季節(jié)及冬季均為從土壤吸收熱量，從建筑物全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬結(jié)果來(lái)看，通過(guò)調(diào)整衛(wèi)生熱水負(fù)荷，基本可達(dá)到放熱和取熱的平衡。

1)方案1。按照夏季工況進(jìn)行埋管，總埋管量為:夏季向土壤排放的熱量/每米埋管散熱量=492 000/54.83=27 211 m。

2)方案2。按照冬季工況進(jìn)行埋管，總埋管量為1 207 000/31.73=38 040 m。由此可得應(yīng)按方案2考慮埋管數(shù)量。

3)地埋管場(chǎng)地的確定。通常地埋管換熱器埋設(shè)場(chǎng)地可有兩種選擇:a.建筑物基礎(chǔ)樁基之下;b.建筑物范圍以外空地。由于地埋管換熱器施工需要的時(shí)間比較長(zhǎng)且必須在埋管完成后方可進(jìn)行建筑物樁基施工，影響整個(gè)工程進(jìn)度，同時(shí)埋設(shè)于樁基下的每個(gè)回路地埋管都要求接至建筑物以外，檢查井內(nèi)用閥門(mén)控制，以備任何一回路出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能獨(dú)立關(guān)斷，整個(gè)管路系統(tǒng)復(fù)雜，且造價(jià)高，故本工程選擇將地埋管敷設(shè)于建筑物以外空地。

4)埋管形式的確定。埋管形式分垂直埋管和水平埋管兩種，因水平埋管占用的面積過(guò)大，本工程選用垂直埋管形式。

5)埋管數(shù)量計(jì)算。如按單u垂直地埋管設(shè)計(jì)，鉆孔深度100 m，有效深度80 m，埋管孔數(shù)n=38 040/80=476，考慮15%的余量后得出埋管總數(shù)為n=548。從地質(zhì)勘察報(bào)告及熱向性報(bào)告來(lái)看本場(chǎng)地地下有大量的卵石層，為了降低埋管成本設(shè)計(jì)采用雙u垂直地埋管，據(jù)資料查證:雙u埋管孔數(shù)可為單u埋管孔數(shù)的85%～90%，考慮本工程場(chǎng)地實(shí)際情況及回路平衡，共設(shè)計(jì)7個(gè)檢查井，63個(gè)回路，504個(gè)孔位，鉆孔直徑180 mm，鉆孔間距5 m。垂直管路間采用同程并聯(lián)式，供回水環(huán)路集管埋深大于1.5 m，且兩管之間間距0.6 m，水平集管保持0.002以上的坡度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)工程實(shí)例，詳細(xì)介紹了地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟，明確了土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)熱相應(yīng)報(bào)告的必要性，確定了地埋管優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，包括地埋管換熱器的形式、管深、管間距等設(shè)計(jì)參數(shù)，從而解決了地埋管室外換熱器和熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)和選型。由于地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)處于初級(jí)階段，希望本文能對(duì)初涉地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作者提供一些幫助。

[1]徐 偉.可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)指南[M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]美國(guó)制冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì).地源熱泵工程技術(shù)指南[M］.徐偉，譯.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

[3]褚曉麗，法智彤.淺談地源熱泵[J］.山西建筑，2010，36(1):215-216.