大型公共建筑復合式地源熱泵熱物性測試及方案設計

胡金強，陳建萍，范鍵兵

（1-英格索蘭（中國）投資有限公司，上?！?00051；2-挪信能源技術（上海）有限公司，上?！?00072；3-上海東方低碳科技產業股份有限公司，上?！?00031）

大型公共建筑復合式地源熱泵熱物性測試及方案設計

胡金強*1，2，陳建萍3，范鍵兵2

（1-英格索蘭（中國）投資有限公司，上海200051；2-挪信能源技術（上海）有限公司，上海200072；3-上海東方低碳科技產業股份有限公司，上海200031）

通過地源熱泵熱物性測試和逐時負荷計算結果，進行了地埋管換熱器設計、冷卻塔選型以及機房設計。熱物性測試結果表明，平均地溫為21.97 ℃，平均導熱系數為2.76 W/m·K；在管內流速0.43 m/s，進/出水溫35/30 ℃的散熱工況下，平均每延米換熱量為57.51 W/m；相同流速、進/出水溫為7/12 ℃的取熱工況下，平均每延米換熱量為68.27 W/m。

復合式地源熱泵；方案設計；公共建筑；熱物性測試

0　引言

地源熱泵系統是以巖土、地下水或地表水為低溫熱源，由水源熱泵機組、地熱能交換系統、建筑物內系統組成的供熱空調系統［1］。地源熱泵系統屬于可再生能源利用技術，具有高效節能、低運行成本和良好的社會環保效益等優點，尤其應用于大型公共建筑節能潛力巨大［2-5］。但是和傳統的空調系統相比，地源熱泵系統也存在一些不足，比如：初投資較高；系統存在熱平衡問題；且需要打孔場地。這些不足在某種程度上局限了其應用。于是針對這些問題，例如夏熱冬冷地區的大型公共建筑，為減少初投資、減少地埋管鉆孔數目及解決地源熱泵系統熱平衡問題，就采用了復合式地源熱泵系統。

1　項目概況

該工程位于廣西，總建筑面積105，965 m2。其中大劇院為地上6層，地下2層，高45 m，建筑面積19，500 m2；圖書館為地上6層，高26.5 m，無地下室，建筑面積32，475 m2；博物館地上4層，無地下室，高30 m，建筑面積34，195 m2；在院、館、塔之間建設一層文化廣場。由負荷計算得到，總冷負荷為9，980.3 kW，總熱負荷為6，197.6 kW。經甲方要求，建成以地源熱泵作為冷熱源的集中供冷暖系統。

2　熱物性測試試驗

2.1地質勘測

該工程位于廣西某地區，屬典型喀斯特地貌，地下有溶洞發育。根據地勘報告，由于巖溶作用的影響，石灰巖中淺層巖溶較發育，其形態主要有溶溝、溶槽、溶蝕裂隙及溶洞等。巖溶發育的平面分布圖見圖1。

根據所鉆570個灰巖鉆孔統計，遇溶洞、“鷹嘴巖”的鉆孔為67個，洞高（0.2～12.8）m，遇洞率11.8%，線溶率為3.6%，說明場地屬巖溶較發育區。

勘察表明，擬建場地巖土大體可分3層。粉質粘土（Q2al）含漂石粉質粘土和漂石，下伏第三系新余群南雄組（Exn）全風化殘積土、強中風化泥質粉砂巖，泥質粉砂巖，自地面向下各層情況如下所述：

第一層雜填土、耕土、淤泥、粉質粘土層，該層的厚度為（0.2～4）m，該層全場分布；

第二層石灰巖層，該層厚度為（3～80）m，平均層厚56 m，本層未發現溶洞，該層全場分布；

第三層白云石及白云石膠結物，本層含大量溶洞。

在4口勘察井中，有1口勘察井在（60～65）m，（85～90）m深度揭穿溶洞，溶洞高度5 m；1口勘察井在（90～95）m深度揭穿溶洞，高度5 m；溶洞內含水量（地下水）極大，有利于地源熱泵空調系統換熱，該層全場分布。

圖1　巖溶發育的平面分布圖

2.2熱響應測試裝置

熱響應測試法［6］最早由Mogensen于1983年提出［7］，用來在現場確定地埋管換熱器周圍巖土的導熱系數和換熱孔熱阻。測試原理是通過傳熱介質在土壤熱交換器循環，在給定的放熱量和取熱量條件下連續記錄流體的進出口溫度，并根據溫度隨時間變化的規律推知土壤的導熱系數和換熱孔熱阻。該方法已經在世界范圍內廣泛應用于地源熱泵地埋管換熱系統的熱工性能測試之中［8］。巖土熱響應試驗測試儀見圖2，其技術參數見表1。

2.3熱響應測試結果

表2為熱響應測試試驗中，實驗井埋管的施工與安裝數據。本項目共測試3口換熱井，均為雙U De25型PE管，100 m深。經測試，平均地溫為21.97 ℃，平均導熱系數為2.76 W/m·K，在管內流速0.43 m/s，進/出水溫35/30℃的散熱工況下，平均每延米換熱量為57.51 W/m；相同流速，進/出水溫為7/12℃的取熱工況下，平均每延米換熱量為68.27 W/m。

圖2　巖土熱響應試驗測試儀

表1　熱物性測試儀的技術參數

表2　實驗井埋管的施工與安裝數據

3　地埋管換熱系統設計

地埋管換熱系統設計是本土壤源熱泵系統工程設計的核心內容，主要包括地下埋管換熱器形式的選擇，管徑、管長、鉆孔數目、冷卻塔容量的確定。

根據甲方的需求與當地的實際情況，采用垂直式地埋管地源熱泵系統，地埋管換熱器有效埋深為100 m的雙U形，管材選用公稱外徑為25 mm的高密度聚乙烯（HDPE100）換熱管，地埋管換熱器系統的設計將根據水文地質勘察資料、熱物性測試報告以及及建筑物的動態負荷計算結果進行。

3.1夏季、冬季土壤最大釋熱量與吸熱量

夏季最大釋熱量：

式中：

Qs——夏季向土壤中最大釋熱量，kW；

QL——夏季總冷負荷，kW；

EER——夏季的能效比，取4.7。

冬季最大吸熱量：

式中：

Qx——冬季從土壤中最大吸熱量，kW；

QR——冬季總熱負荷，kW；

COP——冬季的供熱系數，取4.0。

依據式（1）、（2）可計算得夏季向土壤放熱與冬季從土壤吸熱量分別為12，103.8 kW與4，644.5 kW。根據上述計算結果可以看出，冬夏季地源熱泵系統的取熱量和散熱量差距較大，考慮到該地區空調系統夏季運行時間長，冬季運行時間短的特點，全年總取熱量遠小于全年的散熱量，因此僅利用地埋管換熱器取熱、散熱無法達到地源側的熱平衡要求，需采用復合型地源熱泵系統。結合本項目的實際情況，采用按冬季熱負荷配置地埋管換熱器，夏季利用冷卻塔調峰散熱的方案。

3.2換熱井數的確定

從熱物性測試試驗來看，測試工況是在單口井短時間換熱條件下測得的換熱能力，項目實際運行過程中是許多口井同時換熱的狀態，考慮到相互干擾及長期運行的因素，本工程按冬季標準工況（供/回水溫7/12℃，管內流速0.4 m/s）下每延米取熱量60 W，夏季標準工況（供/回水溫35/30℃，管內流速0.4 m/s）下每延米散熱量55 W計算。根據冬季地埋管換熱系統的取熱量4，644.5 kW進行地埋管井計算（根據熱物性測試結果，考慮裕量，按冬季按每延米取熱量60 W計）。故本工程共需換熱管（雙U型）長度為：

式中：

L——地埋管鉆孔總深度，m；

q——冬季每延米吸熱量，W/m。

按照有效井深100 m考慮，計算結果為打井774口，考慮10%的裕量，共需打井852口。鉆孔有效深度100 m，雙U型De25換熱井，打孔間距5米，孔徑一般為（160～180）mm。選用地源熱泵專用高密度聚乙烯管HDPE，額定承壓能力為1.6 MPa，聯接方法為熱熔聯接。水平地埋管埋深為室外地面下1.5 m，采用雙U型埋管并聯連接，地埋管井位布置圖、一級和二級集分水器布置圖分別見圖3、圖4和圖5。

圖3　地埋管井位布置圖

圖4　一級集分水器布置圖

圖5　二級集分水器布置圖

3.3輔助冷卻塔容量的確定

1）冷卻塔容量的確定

ASHRAE在1995年給出的推薦設計方法［9］：

式中：

QRej——輔助冷卻塔設計排熱量，kW；

QTot，Rej——設計供冷月散熱總量，kW·h；

QLoop，Rej——通過地埋管排放到土壤中的設

計供冷月散熱量，kW·h；

Hours——設計供冷月時間，h。

本工程中QTot，Rej為7，701，492 kW·h，QLoop，Rej為2，817，772 kW·h，Hours為300 h（30×10），代入式（4）中得QRej為8，139.5 kW。

2）冷卻塔選型

根據QRej計算得出冷卻塔的水流量G=0.86× QRej/Δt=1，400 m3/h，選擇8臺標準水量為175 m3/h的模塊閉式冷卻塔。

4　地源熱泵機房設計

根據逐時負荷計算結果，本工程空調熱負荷6，197.6 kW，冷負荷9，980.3 kW，確定采用地源熱泵SSHR-280主機37臺，每臺地源熱泵主機的制冷量為270 kW，能效比為4.7；每臺地源熱泵主機制熱量為311 kW，能效比為4.0。夏季空調冷凍水供/回水溫度為7/12℃，地埋側供/回水溫度為30/35℃。冬季空調熱水供/回水溫度為40/45℃，地埋側供/回水溫度為10/5℃。

由于圖書館、大劇院、博物館使用空調時間和頻率存在差異，為提高空調系統的使用效率，降低運行能耗，設置一個集中的冷熱機房。考慮地埋管換熱系統取熱與散熱平衡的因素，地埋管換熱器按冬季負荷配置，根據熱負荷數據來配置與地埋管換熱器相匹配的地源熱泵主機用于冬季空調采暖；夏季負荷超出部分另外配置主機及冷卻塔。為了保證機組可以互相備用及切換，選用同一型號的37臺主機。同時選用8臺閉式冷卻塔，一方面可以避免開式冷卻塔水系統中的雜質導致地源熱泵主機效率下降，另一方面也可實現閉式冷卻塔與地埋管系統的并聯與切換。機房平面布置圖見圖6。

圖6　機房平面布置圖

5　結論

本文提出夏季采用冷卻塔作為地源熱泵輔助冷源的復合式地源熱泵系統，其應用于我國南方地區的實際工程中能有效解決土壤熱失衡問題，保證地下土壤冬夏季取排熱平衡，提高機組的運行效率，降低初投資和運行費用，減少鉆孔數目與打孔場地，有利于地源熱泵系統穩定高效的運行。本項目為廣西及同類地質條件下大型公共建筑采用地源熱泵空調系統的熱物性測試、地埋管換熱系統設計等積累了可供借鑒的經驗。

［1］武曈，劉鈺瑩，董喆，等.地源熱泵的研究與應用現狀［J］.制冷技術，2014，34（4）∶71-75.

［2］湯志遠，丁國良，胡海濤.我國地源熱泵技術研究進展和產業發展探討［J］.制冷技術，2009，29（3）∶6-14.

［3］何耀東，孟震.地源熱泵中央空調的多種設計方案及其特性分析［J］.制冷技術，2009，29（2）∶7-11.

［4］張旭，王松慶，劉俊.世博軸及地下綜合體工程地源熱泵系統運行特性模擬研究［J］.制冷技術，2010，30（S1）∶13-16.

［5］鄧軍，熊渝興，黃鍵良.淺談可再生能源在我國的發展［J］.能源與環境，2009（02）∶100-101.

［6］王灃浩，顏亮，馮琛琛，等.地源熱泵巖土熱響應測試影響因素分析［J］.制冷技術，2012，32（2）∶1-5.

［7］MOGENSEN P.Fluid to duct wall heat transfer in duct system heat storages［C］//Proc Int Conf on Subsurface Heat Storage in Theory and Practice，Sweden，1983（6-8）∶652- 657.

［8］AUSTIN W，YAVUZTURK C，SPITLER J D.Development of an Insitu system for measuring ground thermal properties［J］.ASHRAE Transactions，2000，106（1）∶365-379.

［9］ASHRAE.Commercial/institutional ground source heat pump engineering manual［M］.Atlanta∶American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc.，1995.

Thermal Properties Test and Scheme Design of Hybrid Ground Source Heat Pump in a Large Scale Public Building

HU Jin-qiang1，2，Chen Jian-ping3，Fan Jian-bin2
（1-Ingersoll-Rand（China）Investment Co.，Ltd，Shanghai 200051，China；2-NuoXin Energy Technology（Shanghai）Co.，Ltd，Shanghai 200072，China；3-Shanghai East Low Carbon Technology Industry Co.，Ltd，Shanghai 200031，China）

Depending on the results of thermal properties test on ground source heat pump and hourly load calculation，underground heat exchanger，selection of cooling tower and machinery room are designed.Thermal property test results show that the average ground temperature is 21.97oC，the average thermal conductivity of soil is 2.76 W/m·K，when the flow rate is 0.43m/s in the pipe，the average per meter test hole of heat exchange is 57.51 W/m under the cooling condition of the inlet/outlet water temperature for 35/30oC and the average heat exchange is 68.27 W/m under the heating condition of the inlet/outlet water temperature for 7/12oC with the same flow rate in the pipe.

Hybrid ground source heat pump；Scheme design；Public building；Thermal properties test

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.207

*胡金強（1980-），男，工程師，碩士。研究方向：地源熱泵系統優化與建筑節能。聯系地址：上海市仙霞路99號9樓，郵編：200051。E-mail：hujinqiang88@126.com。