巖石源熱泵空調系統應用及地熱不平衡解決思路

張雷，秦瑩，張艷

（山東創爾沃熱泵技術股份有限公司，山東 淄博 256409）

巖石源熱泵空調系統應用及地熱不平衡解決思路

張雷，秦瑩，張艷

（山東創爾沃熱泵技術股份有限公司，山東 淄博 256409）

在巖石丘陵地區地下巖石上鉆孔埋管吸取地下的能源為建筑物提供冷、暖甚至生活熱水，是可再生能源新技術的應用；巖石源地埋換熱器的高性能和經濟性對于巖石源熱泵空調系統在類似地區的應用及推廣具有重要的影響。本文討論了巖石源熱泵空調系統的應用案例、關鍵技術等，并從多個角度分析了全年運行后地下冷熱負荷不平衡的解決思路。

巖石源熱泵；地埋換熱器；負荷不平衡

地源熱泵是一種利用大地作為冷熱源的熱泵，通過熱泵機組對建筑物實現供暖、制冷及提供生活熱水。地源熱泵一般將大地作為該系統的蓄能器，夏季通過熱泵機組將建筑物內的熱量轉移到地下，冷卻建筑物的同時儲存了熱量，以備冬季使用；冬季通過熱泵將大地中的低位熱泵提升溫度后對建筑物供熱，同時將建筑物內的冷量儲存在地下，以備夏季使用。該技術大大提高了空調系統全年的利用效率，真正實現了可再生能源的合理利用。但有許多位于巖石丘陵地區的需要供暖空調的建筑物，比如大連、煙臺、威海、青島、淄博、濰坊、泰安、臨沂、萊蕪、日照等，這些地區部分區域存在地下多為巖石層結構、水源匱乏等情況，既難以采用地下水源熱泵系統，也無法應用當前政府大力推廣、應用廣泛的土壤源熱泵技術；基于國家逐漸廢除燃煤鍋爐房采暖系統的應用以保護大氣環境的考慮，經過調查在以上區域內已實施的供暖空調系統的性價比不僅非常低，而且能源浪費較為嚴重，這在可再生能源的開發與利用方面提出了一個嚴峻的挑戰；研究初期，由于該類地區受巖石鉆孔設備及技術的限制，鉆孔費用高昂和鉆孔工期漫長，經過多年探索，近年在淄博市某校區內設計應用了一套巖石源熱泵空調系統，通過跟蹤分析系統的冷暖運行工況及效果，系統能效比高，從而證實該套技術適合在巖石丘陵地區推廣應用。

1 工程概況

該項目位于山東省淄博市，地處華北平原坳陷區、濟陽坳陷區的南部，為淄博凹陷的西北邊緣。由于傾斜沉積盆地向北傾斜的簸箕狀，形成自南而北由老到新的地層，為新生代第四系地層覆蓋。校區東西長約720m，南北長約 520m，規劃總用地 37.56公頃，總建筑面積約為 11萬 m2；地勢為南高北低，平均海拔高度在 72.0～ 105.0m之間，地形高差較大，地下多為巖石丘陵結構。本項目采暖空調建筑物均分布在山上，地下 15米內為粘土層，地下 15m以下為青石巖層，150m深井水流量約 20～ 25m3/h。本項目空調使用面積為60000m2，包括如下 9棟建筑：紡織樓、染化樓、機電樓、9#宿舍樓、10#宿舍樓、11#宿舍樓、行政辦公樓、圖書樓及第三教學樓辦公區；其中前六棟樓為新建建筑，后六棟樓為原有建筑。

2 能量采集系統設計

（1）地下換熱埋管方式的選擇。巖石源熱泵同土壤源熱泵一樣，地下環路的埋管方式多種多樣。目前國內普遍采用的有豎直埋管、水平埋管和樁基埋管三種配置形式。豎直埋管換熱器是在地下巖土層中垂直鉆孔，鉆孔深度一般為 100～ 150m之間，在孔內敷設優質 U型管，占地面積小，換熱穩定。水平埋管換熱器是在地下淺層土壤中水平埋管，占地面積大，受地表氣候變化的影響，效率較低。樁基埋管換熱器是充分利用建筑物的面積，在樁基內敷設U型管或螺旋管與周圍大地形成換熱，傳熱效率高，適用于空地少、建筑占地面積大的區域。本項目經現場勘察，最終確定利用學院操場約15000m2的區域采用雙 U豎直埋管換熱器方式。

（2）地熱換熱器設計參數。在地源熱泵運行的額定工況下，針對該地域地質條件深層巖土熱物性的測試情況、當地低溫初始溫度、氣象條件以及建筑物特性等，最終確定設計依據如下：該地域采取豎直雙U型埋管，鉆孔間距為 4～ 5m；冬季每米孔深提取熱量按 55～ 60W/m計，夏季每米孔深釋放熱量按 80～ 85W/m計；鉆孔深度為100～ 120m，豎直埋管建議采用 PE100管材；由于該地埋系統較大，建議采用同程設計，設置地源側檢查溝，確保地源側流量均衡。根據巖土熱物性測試確定本項目換熱參數如下：打孔直徑為 180mm，數量為 450個，深度為100m，采用雙 U豎直埋管設計，埋管直徑為 De32mm，間距為5m同程設計，回填采用換熱效率高的專用水泥基料；并設置 150m長檢查溝和多個檢查井。

3 能量提升系統

依據用戶的要求及各建筑的使用性質、同時利用等情況，經詳細的冷熱負荷計算確定本項目單位面積冷負荷指標為 48W/m2，單位面積熱負荷指標為 50W/m2；因用戶要求，本項目設計思路以供熱為主、供冷為輔，冬季要求室內溫度為 20±2℃，夏季要求室內溫度為30±2℃，而且無需考慮新風，因此本項目的供熱負荷大于供冷負荷。

4 能量釋放系統

本項目室內末端依據學院各建筑的使用性質及裝修等，分別選用了明裝臥式風機盤管機組及明裝立柜式風機盤管機組，安裝方便、外形美觀，送風效果好；經跟蹤室內溫度：夏季溫度可達到 26～ 28℃，冬季溫度可達到 20～ 22℃。

5 地熱平衡模擬分析

保證地下熱平衡是地下換熱器系統常年穩定運行的關鍵，在計算周期內，地源熱泵系統總釋熱量宜與其總吸熱量相平衡。經測試計算，本項目巖石源側的總吸熱量大于總釋熱量，考慮技術經濟合理，可采用多種夏季補熱的方式：冷卻塔逆向運行補熱、太陽能補熱、空氣換熱器補熱、夏天非潮濕天氣地埋管直接供冷補熱（主機不啟動）。本項目采用的是冷卻塔逆向運行補熱與地埋管換熱器并用的方式，根據巖石源側全年動態負荷情況，在保證地下熱平衡的前提下，來確定冷卻塔的基本參數等，最后根據地熱平衡專業軟件進行校核計算，模擬出地下流體溫度變化情況。

冷卻塔逆向運行補熱措施。本措施的換熱機理是地源水與室外高溫空氣的直接對流傳熱與傳質，主要增加一臺冷卻塔及兩臺冷卻水循環泵與室外地埋換熱器進行連接，在夏季供冷末期，通過開啟冷卻塔及冷卻水循環泵將地埋換熱器的循環水同大氣熱量進行交換，釋放土壤中的多余冷量，直至冬夏兩季平衡為止；排放期間，冷卻塔必須做好防塵、防污染處理，以防堵塞地埋換熱系統。2010年經跟蹤測算，本項目選用一臺 300T/h的冷卻塔及兩臺冷卻水循環泵，地源側初始運行工況為供水 10°，與室外 32～ 38°熱空氣強制換熱后，回水溫度為 14°，溫差可高達 4°，最終 192個小時內放冷完畢，按每天開啟 12個小時，共需 16天時間，排放過程中，通過地源側溫度傳感器，隨時記錄地源水的水溫變化情況，并根據溫度變化情況及時調整冷卻塔運行狀態，以達到地熱平衡的目的。

直接供冷補熱措施。本措施的換熱機理是地源水與室內高溫空氣的間接換熱，主要是將機房內地埋換熱器的分、集水器與空調系統的集、分水器分別串聯起來，并通過閥門自動控制，在夏季供冷初期的非潮濕天氣，將地埋換熱器直接與室內末端機組連通，關閉地源側循環泵，開啟空調水循環泵進行循環，通過直接循環將地下土壤中的多余冷量向建筑物室內進行排放，直至冬夏兩季平衡為止；地源側與空調側系統水混合前，空調水系統必須進行清洗，并在地源側入口處增加多級過濾、除污裝置，確保地源側換熱系統的暢通與使用壽命。2011年經跟蹤測算，本項目開啟兩臺總流量約為 500m3/h的空調水側循環泵，通過風機盤管直接往室內送冷，地源側供回水溫差為3℃，最終排冷時間為 155個小時，按每天開啟 12個小時，共需 14天時間；排放過程中，通過地源側溫度傳感器，隨時記錄地源水的水溫變化情況，并根據溫度變化情況及時調整末端及水泵的運行狀態，以達到地熱平衡的目的。

6 巖石源熱泵系統運行經濟分析和節能效果

運行經濟分析。常規冷水機組夏季制冷費用約為120萬元；巖石源熱泵機組夏季供冷費用為 48萬元；集中供熱冬季采暖費用約為 150萬元；巖石源熱泵機組冬季供熱費用為 60萬元；巖石源熱泵機組比常規供冷和供熱方式全年節省運行費用約 162萬元。

節能及應用效果分析。巖石源熱泵全年節約煤炭資源數量（一次能源）約 600t。

減少對大氣污染物的排放，體現綠色環保效果。由于每噸煤燃燒排放的污染物分別為二氧化碳 2620kg、二氧化硫 8.5kg、氮氧化物 7.4kg以及 100kg的煤渣，因此巖石源熱泵每年可減少排放污染物：二氧化碳 1572t,二氧化硫 5.1t、氮氧化物 4.5t以及 60t的煤渣。

7 結語

巖石源熱泵空調系統作為可再生能源利用的形式之一，具有節能、環保、可再生的特點，對于巖石、丘陵地區能源優化利用提供了有效的途徑；通過對本項目近3年運行情況的跟蹤，巖石源換熱工況遠遠優于土壤源換熱工況，完全能夠有效解決巖石、丘陵地區建筑物采暖、空調及生活熱水的需求，實現節能、環保雙重目的。同時本項目的地熱平衡問題通過不同補熱方式的實際運行調節，均改善了地下冷熱負荷不均衡的現狀，為今后類似項目的設計提供了借鑒。

TU831.3

A

1671-0711（2017）07（下）-0141-02