土壤源熱泵技術應用

雷維君

地源熱泵空調技術是一種利用淺層地熱能通過熱泵技術將低位能向高位能轉移，以實現供熱制冷的高效節能的供熱空調技術。冬季淺層地熱能的熱量被提取出來，通過熱泵提升溫度后，給室內供暖。夏季，通過制冷循環將室內的熱量取出來釋放到地下，同時對建筑物進行供冷，夏季釋放的熱量可作為衛生熱水熱源回收利用，所以，地源熱泵技術在酒店等此類有全年衛生熱水要求的建筑中得到了廣泛應用。

1 工程概況

本工程分為5個區，共有單體20多個，每個單體均為2層～3層建筑，主要功能有餐飲、娛樂、會議、客房、游泳池等。占地9.3 萬 m2，地上建筑面積約1.43萬m2，地下建筑面積約1.21萬m2，容積率為0.153，鳥瞰整個園區像盛開的一朵花的五個花瓣。每個單體之間及單體與園區圍墻之間有大量的綠地面積。除地下車庫及設備用房外均要求設置中央空調，周圍無城市熱力管網，且要求冷熱源低碳環保。

2 前期準備

根據本工程既要滿足低碳環保，又有足夠的地埋管空間的現狀，選用地源熱泵作為冷熱源。由于我國在土壤源熱泵技術的應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的地質構造不同發生很大變化，因此，有必要采用現場測試法進行地埋管換熱器的實地試驗研究，為土壤源熱泵的優化設計和可靠運行提供試驗數據。為了準確掌握工程地點的地質情況和地下熱物性參數，進行了地埋管實驗孔安裝和地下熱響應測試。采用單u地埋管測試。根據實驗數據和推導的傳熱模型，得到項目地點的地下綜合熱物性參數:導熱系數為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 地源熱泵冷熱水機組設計

1)建筑物空調負荷計算結果:冬季最大熱負荷為1 700 kW，夏季最大冷負荷為2 200 kW。2)建筑物游泳池和高溫池及客房等最大用衛生熱水負荷為1 200 kW;游泳池和高溫池維溫負荷為450 kW。3)根據以上數據選擇機組如下:a.螺式地源熱泵機組(高溫型)。制冷量1 137 kW;制熱量1 080 kW;COP=5.93;EER=3.44。b.螺桿式地源熱泵機組(高溫熱回收型)。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.螺桿式地源熱泵機組(衛生熱水型)。制熱量497 kW;EER=3.9。

夏季開啟編號為a和b機組或部分負荷時優先開啟機組b，回收熱量滿足夏季最大衛生熱水用熱負荷;過渡季節開啟機組c滿足部分衛生熱水負荷;冬季應優先保證空調用熱負荷開啟機組a和b，空調用熱為部分負荷時開啟機組a或b及機組c，冬夏季不足衛生熱水負荷由輔助熱源提供。

4 地埋管換熱器設計

土壤源熱泵機組的綜合COP(能效比)冬季3.44，夏季5.93。根據空調負荷求出冬季最大地下取熱負荷為1 207 kW，夏季最大散熱負荷為2 572 kW。空調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熱為冬季最大熱負荷，kW;Q冷為夏季最大冷負荷，kW。夏季向土壤排放的熱量按滿負荷計算為:夏季空調向土壤排放的熱量－衛生熱水回收量，其值為1 492 kW，過渡季節及冬季均為從土壤吸收熱量，從建筑物全年動態負荷模擬結果來看，通過調整衛生熱水負荷，基本可達到放熱和取熱的平衡。

1)方案1。按照夏季工況進行埋管，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。按照冬季工況進行埋管，總埋管量為1 207 000/31.73=38 040 m。由此可得應按方案2考慮埋管數量。

3)地埋管場地的確定。通常地埋管換熱器埋設場地可有兩種選擇:a.建筑物基礎樁基之下;b.建筑物范圍以外空地。由于地埋管換熱器施工需要的時間比較長且必須在埋管完成后方可進行建筑物樁基施工，影響整個工程進度，同時埋設于樁基下的每個回路地埋管都要求接至建筑物以外，檢查井內用閥門控制，以備任何一回路出現問題時能獨立關斷，整個管路系統復雜，且造價高，故本工程選擇將地埋管敷設于建筑物以外空地。

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大，本工程選用垂直埋管形式。

5)埋管數量計算。如按單u垂直地埋管設計，鉆孔深度100 m，有效深度80 m，埋管孔數n=38 040/80=476，考慮15%的余量后得出埋管總數為n=548。從地質勘察報告及熱向性報告來看本場地地下有大量的卵石層，為了降低埋管成本設計采用雙u垂直地埋管，據資料查證:雙u埋管孔數可為單u埋管孔數的85%～90%，考慮本工程場地實際情況及回路平衡，共設計7個檢查井，63個回路，504個孔位，鉆孔直徑180 mm，鉆孔間距5 m。垂直管路間采用同程并聯式，供回水環路集管埋深大于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 結語

本文通過工程實例，詳細介紹了地源熱泵系統設計的步驟，明確了土壤源熱泵系統設計時熱相應報告的必要性，確定了地埋管優化設計方案，包括地埋管換熱器的形式、管深、管間距等設計參數，從而解決了地埋管室外換熱器和熱泵機組設計和選型。由于地源熱泵系統設計處于初級階段，希望本文能對初涉地源熱泵系統的設計工作者提供一些幫助。

[1]徐 偉.可再生能源建筑應用技術指南[M］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

[2]美國制冷空調工程師協會.地源熱泵工程技術指南[M］.徐偉，譯.北京:中國建筑工業出版社，2001.

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