單位面積換熱功率與地源熱泵適宜區劃分

袁永東

上海市地礦工程勘察院

0 引言

豎直地埋管地源熱泵是以巖土體為低溫熱源，由熱泵機組、地熱能交換系統、建筑物內系統組成的供熱空調系統。由于地層常年能保持較穩定的溫度，受室外氣象條件的影響較小，因此地源熱泵可克服空氣源熱泵的技術障礙，且效率能大大提高。此外，地源熱泵還是一種環境效益顯著、運行簡單，管理方便、使用壽命長的節能技術，因此，在全國大部分地區得到了廣泛應用[1]。

要科學、合理、經濟地建成一個地源熱泵項目，須經過可行性研究、勘察、設計施工和運行管理等階段，而項目可行性研究階段需判斷特定建筑是否適宜采用地源熱泵技術。單位面積換熱功率是綜合考慮地區水文地質條件、地層屬性、地溫場特征、巖土體熱物參數、覆蓋層厚度等因素的一個綜合參數，其大小可衡量埋管區域巖土體換熱能力[2～3]。根據建筑負荷特性、建筑用地面積、容積率、單孔換熱功率等，計算比較埋管區域單位面積的換熱功率，從而對上海地區地源熱泵適宜區進行劃分。

1 計算單位面積換熱功率

淺層地熱能的應用建筑類型較廣泛，對未建設區，按土地利用規劃性質可分為住宅區（如住宅、別墅）、商務區（如辦公樓、旅館、醫院、學校、餐飲及商場等）、工業區（如工業廠房）以及工業基地。由于不同類型建筑的使用功能、人員密度、室內設備、建筑圍護結構類型、空調舒適度要求以及運行時間等均有所差異，造成冬、夏季空調冷熱指標不盡相等，表1列出了主要土地利用規劃性質區域的常見類型建筑的冷熱指標及運行情況[4～5]。

表1 不同建筑類型的冷、熱指標q

針對某一規劃區域內的某一建筑（群），若在規定的用地范圍內建造的總建筑面積為一定時，則該區域的建筑容積率可用下式表示：

式中：A為總建筑面積，對于工業建筑，則表示廠區建筑面積與構筑物面積之和，m2；S為用地面積，m2；0.9為考慮區域內道路面積后用地面積的利用系數；C為容積率。

在已知各類型建筑的冷熱指標時，可根據建筑物的建筑面積估算出該建筑（群）的空調冷、熱負荷：

式中：Q為空調總冷（熱）負荷，W；70%為空調面積占建筑總面積的比率；q為空調冷熱負荷指標，W/m2。

根據空調冷、熱負荷可計算出單位面積換熱功率Dq3：

針對不同類型的建筑以及不同范圍的建筑容積率，可對單位面積的換熱功率作如下分類計算，結果見表2。

表2 不同類型建筑單位面積的換熱功率

2 實際單位面積換熱功率

由于以上所得的計算單位面積換熱功率Dq3為僅考慮建筑物空調負荷所得的結果，忽略了熱泵機組向巖土體釋放或吸收的熱量，因此，應結合實際情況中熱泵機組的制冷或供熱效率（COP），分空調工況對計算單位面積換熱功率Dq3進行修正，即實際單位面積換熱功率Dq3可表示如下：

其中，不同空調工況下的修正系數可由下式進行計算：

1）制冷工況修正系數φ1

2）供熱工況修正系數φ2

式中：COP1為設計工況下熱泵機組的制冷系數；COP2為設計工況下熱泵機組的供熱系數。

3 可供單位面積換熱功率

根據上海市不同區域的單孔換熱功率，按單位面積可布孔數、土地利用系數、可開發利用面積，計算出區域內可供單位面積換熱功率。其表達式如下：

式中：Dq1為可供單位面積換熱功率，W/m2；Dq為計算區域換熱功率，k W；D為單孔換熱功率，k W；M為計算區域面積，k m2；n為單位面積可鉆換熱孔數；ψ為地埋管土地利用率。

根據單位面積可布孔數、土地利用系數、可開發利用面積，計算冬、夏季工況各行政區的區域換熱功率，冬季的計算結果如表3，各區域換熱功率分布見圖1。

表3 上海市各行政區冬季供熱區域換熱功率一覽表

圖l 上海市豎直地埋管地源熱泵換熱功率分布圖

4 適宜性分區

為保證空調系統安全、穩定的運行，因此，在進行地埋管換熱器設計計算時，通常會考慮10%的富裕量，即1.1 Dq2。對不同區域內、不同容積率、不同類型建筑的實際單位面積換熱功率與可供單位面積換熱功率進行對比，可分為如下四種情況：

綜上所述，對淺層地熱能開發利用適宜性分區可作出如下劃分（表4）。

表4 淺層地熱能開發利用適宜性分區

5 結論

通過上述分析，可得出以下結論：

1）區域埋管換熱功率的大小受地區水文地質條件、地層屬性、地溫場特征、巖土體熱物參數、覆蓋層厚度等因素的影響；

2）通過計算比較所得的埋管區域單位面積的換熱功率，可作為地區地源熱泵適宜區劃分的依據；

3）通過實際單位面積換熱功率與可供單位面積換熱功率進行對比，可將上海地區淺層地熱能開發利用劃分為四個適宜性區域，即適宜區、較適宜區、準適宜區及不適宜區。

[1]刁乃仁,方肇洪.地埋管地源熱泵技術[M].北京:高等教育出版社,2006

[2]徐偉.地源熱泵工程技術指南[M].北京:中國建筑工業出版社,2001

[3]蔣能照,劉道平.水源地源水環熱泵空調技術及應用[M].北京:機械工業出版社,2007

[4]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2008

[5]陸耀慶.暖通空調設計指南[M].北京:中國建筑工業出版社,2001