關中地區(qū)地源熱泵應用研究

宋德軍　郭亞宇

摘要：隨著國民經濟的發(fā)展，人民環(huán)保意識的提高，具有綠色環(huán)保、高效節(jié)能等特點的地源熱泵系統(tǒng)也越來越受到人民的高度的重視。結合具體工程案例，本文分析了地源熱泵技術在關中地區(qū)的工程運用及設計步驟，對關中地區(qū)某建筑物地源熱泵工作機制、主要特點和工程實際方面的應用進行研究，結合整個建筑物的負荷對項目進行優(yōu)化設計，為同類工程提供借鑒。

Abstract： With the development of national economy and the improvement of people's environmental protection consciousness， the ground source heat pump system accepts more and more people's attention by its characteristics of green environmental protection， high efficiency and energy saving. Combined with specific engineering cases， this paper analyzes the engineering application and design steps of ground source heat pump technology in Guanzhong Area， studies the working mechanism， main characteristics and practical engineering applications of ground source heat pump of a building in Guanzhong Area. Combined with the load of the building， the project design is optimized to provide reference for similar projects.

關鍵詞：地源熱泵；地下?lián)Q熱系統(tǒng)；垂直地埋管；冷負荷

Key words： ground source heat pump；ground heat exchanger system；vertically buried pipe；cooling load

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）07-0148-02

0 引言

地源熱泵系統(tǒng)是利用地表面淺層吸收的太陽能的熱能、地熱能中的熱能和水源能量（如地下水、河流和湖泊），在冬季向建筑物內供熱，在夏季向建筑物供冷，利用少量的高品位的電能，來實現(xiàn)從低品位熱能向高溫位熱能進行熱輸送的系統(tǒng)。不同地帶分布的土壤熱物性差別很大。而且不同地域可利用的其它可再生能源狀況以及冷熱負荷狀況亦不相同，地源熱泵工程設計必須因地制宜，以當?shù)赝寥罒嵛镄詼y試報告為依據(jù)，結合當?shù)貧夂蚰茉喘h(huán)境及空調系統(tǒng)綜合考慮。

1 工程概況

本空調系統(tǒng)改造項目位于陜西省西安市，總建筑面積43914m2，熱負荷1765.3kW，冷負荷2858.8kW，中央空調系統(tǒng)末端采用風機盤管，冷熱源采用地源熱泵系統(tǒng)。屬于關中地區(qū)，見圖1，關中渭河谷地內堆積了巨厚的新生代地層。根據(jù)鉆井資料，谷地地層分別有下第三系戶縣群的紅河、白鹿原、柑河，上第三系的高陵、永樂店（蘭田壩河，張家坡），第四系的三門、秦川等，都具有良好的地下熱水的儲熱條件。

工程所在地區(qū)見圖2，夏季室外計算干球溫度35.1℃， 夏季室外計算濕球溫度25.8℃，夏季大氣壓力95.71kPa。冬季室外計算干球溫度-3.2℃，冬季相對濕度66%，冬季大氣壓力98.1kPa，地源熱泵系統(tǒng)既可以在冬季從土壤中提出低品位熱能用于供暖，又可以在夏季是將室內多余的熱量排入地下，形成一個循環(huán)。

2 確定地下?lián)Q熱器的埋管形式

地源熱泵技術的關鍵是地下?lián)Q熱器的技術，同時地下?lián)Q熱器設計是整個地源熱泵系統(tǒng)設計的重點，也是地源熱泵系統(tǒng)區(qū)別于其他系統(tǒng)的地方。地下埋管換熱器的形式的選擇，設計要求的合理性和可行性，將關系到地源熱泵系統(tǒng)是否達到相關設計標準，并且影響系統(tǒng)的正常運行以及系統(tǒng)運行的經濟性。

選用哪種方式主要取決于場地大小，當?shù)貛r土類型及挖掘成本。水平埋管方式埋管相對較淺，所以水平埋管換熱器性相對來說不是特別高，并且所占用的面積特別巨大。所以，本次設計應用的是豎直單U型管地下?lián)Q熱器。同時為了保證每個環(huán)路之間的水力平衡，采用同程式系統(tǒng)。

3 確定管路連接形式

地下埋管換熱器的管路連接方式有兩種：串聯(lián)和并聯(lián)。地源熱泵系統(tǒng)運行費用以及整個系統(tǒng)的經濟性決定了管路的連接方式。對于垂直埋管系統(tǒng)來說，考慮到系統(tǒng)的初期投資費用和系統(tǒng)的運行成本，并聯(lián)的方式是大家普遍采用的。我們的設計是地下埋管換熱器應用U型管的并聯(lián)系統(tǒng)。

4 選擇地下?lián)Q熱器管材及豎埋管管徑

選擇管子直徑大小時應從兩方面考慮：管徑大，能減少循環(huán)泵能耗。管徑小，能使管內流體處于紊流區(qū)，這樣流體與管內壁間的換熱效果好。目前國內均外廣泛采用高密度聚乙烯管材作為地下?lián)Q熱器的埋管管材，管徑通常為20～40mm。所以在本次設計中，地下埋管的材料為HDPE高密度聚乙烯管，垂埋管的管徑為DN25。

5 地下?lián)Q熱器的設計與布置

根據(jù)技術總冷負荷為2858.8kW，確定為兩臺PSRHH3602型地源機組，其中，夏季制冷時，采用兩臺機組，冬季制熱時，采用兩臺機組（在室外溫度較低時采用兩臺機組進行制熱）。

地下?lián)Q熱器的長度是根據(jù)當?shù)氐牡叵聽顩r、周圍土壤的初始溫度以及地源熱泵機組的進出口水溫所決定的。參考西安當?shù)氐牟糠止こ蹋挝还荛L換熱量為48W/m，孔間距為5m，鉆孔總用地面積13250m2，對鉆孔，采用原漿回填。

6 結論

地源熱泵系統(tǒng)是一種效率特別高的節(jié)能減排系統(tǒng)，與普通的燃煤鍋爐的集中供暖系統(tǒng)相比，這一系統(tǒng)的節(jié)能效果達到百分之四十五多。同時可以替代燃料鍋爐，可有利于城市生態(tài)環(huán)境的保護，減少有害氣體的排放量，改善大氣環(huán)境質量，并充分利用可再生資源的常規(guī)優(yōu)質能源，有利于社會的可持續(xù)發(fā)展和保護。所以地源熱泵系統(tǒng)技術具有良好的經濟層面的效益，同時具有較高的社會環(huán)境效益，具有廣闊的市場應用前景。關中盆地地熱為2.67×1018千卡，相當于儲量的38.1億噸標準煤，可用于加熱1.869×1018千卡，相當于26.7億噸標準煤，相當于五大煤田。因此，在關中盆地地熱資源開發(fā)潛力巨大。

隨著經濟的發(fā)展以及可持續(xù)發(fā)展的觀念深入，人們對節(jié)能減排的追求更加強烈，地源熱泵系統(tǒng)可以節(jié)約能源，有利于環(huán)保的新技術。系統(tǒng)形式多樣，分為水源、地源、水-地源、水-水以及太陽能-地源熱泵系統(tǒng)等。我們在選擇熱泵形式時要結合當?shù)氐牡匦翁攸c、資源優(yōu)勢進行選擇，做到因地制宜，同時節(jié)約投資，達到系統(tǒng)的最優(yōu)化設計。再次，針對地下?lián)Q熱器系統(tǒng)又有很多種形式，像是垂直式地埋管、水平式地埋管以及樁埋管式等，我們也要根據(jù)資金水平、當?shù)貤l件以及施工水平進行選擇。最后，地埋管的設計是最為重要的，我們要根據(jù)地上建筑的冷熱負荷進行設計計算，其中要以冷熱負荷中的最大值作為負荷標準，做到滿足設計要求。同時設備的選擇上我們要留足余量。

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