無錫某生態(tài)大樓“以電代氣”地源熱泵改造工程解析

趙 蘭 張雄波

（1.南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院 南京 211222;2.特靈空調(diào)系統(tǒng)（中國）有限公司 南京 211112）

0 引言

地源熱泵與燃煤、燃油、燃氣鍋爐相比，最顯著的優(yōu)勢是綠色環(huán)保、能效高、費用低、占地面積小、使用壽命長、運用范圍廣[1]。“十三五”國家能源規(guī)劃調(diào)整推進電能替代，旨在通過“以電代煤”、“以電代油”、“以電代氣”等策略調(diào)整能源消費結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境質(zhì)量。近年來，地源熱泵技術(shù)的推廣已由最初的政策驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌隼硇赃x擇。由于地源熱泵技術(shù)的經(jīng)濟優(yōu)勢和環(huán)保價值，該技術(shù)不僅在新建建筑中推廣迅速，對既有建筑采暖供熱及冷熱聯(lián)供改造的市場也日趨活躍。與傳統(tǒng)的鍋爐供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70～90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，而地源熱泵每輸入1kW 的電能，可以得到5kW 以上的熱量。因此地源熱泵比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省約三分之一的能耗。

地源熱泵作為一種高效的環(huán)保節(jié)能綠色產(chǎn)品，在居住建筑和公共建筑中都有著廣闊的應(yīng)用前景。任永林[2]等人在貴州省畢節(jié)市針對某醫(yī)院的地源熱泵系統(tǒng)，通過分析系統(tǒng)COP 與機組COP 對地源熱泵在大型公共場所運行情況進行評價，各數(shù)據(jù)說明地源熱泵系統(tǒng)在公共區(qū)域具有可行性并且有較好的應(yīng)用前景。同時，住宅建筑中引入地源熱泵也成為打造綠色建筑、智慧社區(qū)的一大亮點。不同城市的國土資源廳也對區(qū)域地?zé)崮茉撮_發(fā)利用的潛力進行勘察，并構(gòu)建了地源熱泵適宜性評價指標體系。為地源熱泵的推廣和淺層地?zé)崮茉蠢锰峁┝藚⒖糩3]。針對建筑周邊埋管場地面積受限的問題，鮑超等人研發(fā)出在建筑底板下方布置換熱孔的方式，針對不同規(guī)劃條件、場地條件及建筑物基礎(chǔ)形式，綜合考慮地埋管系統(tǒng)設(shè)計及使用要求，提出了包括地下非集管無接頭邊坡敷設(shè)式、地下非集管無接頭下穿底板式等多種地埋管系統(tǒng)連接工藝[4]。更安全的連接及敷設(shè)方式為拓寬地源熱泵使用范圍奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。同時，地埋管換熱性能的研究，地源熱泵與太陽能、空氣源、余熱利用等多能聯(lián)合，蓄能型地源熱泵技術(shù)等都有利于發(fā)掘地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

1 工程概況

本項目為無錫某光伏板與玻璃幕墻圍護結(jié)構(gòu)一體化生態(tài)建筑。建筑包括研發(fā)中心及活動中心2幢樓，總建筑面積16300m2。其中辦公樓11500m2（含地下室），活動中心4800m2。建筑夏季總冷負荷為1800kW，其中研發(fā)樓1000kW，活動中心800kW。冬季總熱負荷為1150kW，其中研發(fā)樓650kW，活動中心500kW。

2 既有建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

建筑冷源為一臺單制冷用螺桿機組，制冷量969kW，制熱量1060kW，制冷時機組總輸入功率為200kW。熱源由廠區(qū)集中設(shè)置的燃氣鍋爐提供采暖熱水。夏、冬季分別通過兩套水系統(tǒng)輸送冷、熱水至末端空氣處理機組以及吊頂輻射系統(tǒng)。冷熱水循環(huán)設(shè)兩套驅(qū)動水泵、季節(jié)閥門手動轉(zhuǎn)換。

空調(diào)系統(tǒng)末端由兩部分組成：（1）研發(fā)樓為AHU 全空氣低速送風(fēng)系統(tǒng)，由設(shè)于機房的2 臺30000m3/h 風(fēng)量的新風(fēng)機組進行空氣調(diào)節(jié)，回風(fēng)通過回風(fēng)管道接入地下機房的新風(fēng)機組，系統(tǒng)設(shè)有轉(zhuǎn)輪熱回收的節(jié)能裝置。（2）活動中心末端形式為AHU 全空氣低速送風(fēng)系統(tǒng)和天花輻射制冷、采暖。一層大廳采用條縫形送風(fēng)口地板送風(fēng)，一層餐廳采用球形噴口側(cè)送風(fēng)，活動中心頂部鋼屋架內(nèi)固定百葉集中回風(fēng)。末端的節(jié)能設(shè)計為系統(tǒng)改造提供了基礎(chǔ)和開發(fā)潛力。

空調(diào)系統(tǒng)投入使用后滿足設(shè)計要求，但由于鍋爐供熱能效較低，鍋爐房距離遠，能源價格持續(xù)上漲等因素導(dǎo)致建筑全年電能消耗與鍋爐燃氣消耗總費用較高。

3 空調(diào)系統(tǒng)改造設(shè)計

系統(tǒng)改造設(shè)計方案為：取消原有的鍋爐、熱水循環(huán)管路供熱系統(tǒng)；取消原有冷卻塔及冷卻水循環(huán)管路；增加地源熱泵地埋管系統(tǒng)，采用地源熱泵進行供冷、供熱，以電能代替鍋爐耗氣；實現(xiàn)季節(jié)閥門自動轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)設(shè)計原理如圖1所示。

圖1 地源熱泵系統(tǒng)改造原理圖Fig.1 Schematic diagram of ground source heat pump system

改造后，空調(diào)系統(tǒng)能夠保證冷熱源溫度要求、末端工作模式，也可實現(xiàn)夜間“自然冷卻”模式，即在夏季地源熱泵主機不開啟的情況下，直接由水泵驅(qū)動地埋管環(huán)路與吊頂輻射末端循環(huán)進行換熱。該模式可以削減建筑峰值負荷、降低建筑日負荷和空調(diào)能耗，從而降低主機配置容量、縮減主機工作時間，節(jié)省改造投資和運維費用。整套系統(tǒng)低維護，安全，舒適，空氣品質(zhì)高。

3.1 水系統(tǒng)設(shè)計

（1）分水器和集水器：分水器和集水器是熱泵機組與地埋管換熱系統(tǒng)各個環(huán)路間的供回水“通道”，是輸送熱泵系統(tǒng)換熱介質(zhì)的“中轉(zhuǎn)站”。分、集水器由直徑較大的管段制成，以減少流體的沿程阻力損失。埋管采用豎直埋管[5]。分、集水器（井）與各環(huán)路連接如圖2所示。

圖2 分、集水器與管路連接圖Fig.2 Connection diagram of water collector and pipeline

（2）環(huán)路：管道自分水器引出，經(jīng)過水平溝渠及豎埋孔后再返回，各環(huán)路均最后連接到集水器，如圖3所示。

圖3 地埋管環(huán)路Fig.3 Buried pipe loop

（3）同程式系統(tǒng)設(shè)計：同程式管道布置使并聯(lián)系統(tǒng)各環(huán)路都有相同的進出口壓力，用于消除總集水管沿程阻力損失的影響。

（4）單孔換熱能力測試：本項目由華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院地源熱泵研究所提供地源熱泵土壤熱物性測試并出具報告，如表1、表2所示。

表1 測試參數(shù)及巖土熱物性Table 1 Test parameters and ground thermo-physical properties

表2 鉆孔單位延米（孔深）換熱量Table 2 Borehole heat exchange per linear meter

考慮到測試初始階段地埋管換熱處于不穩(wěn)定狀態(tài)，計算時均舍棄了部分時段，采用穩(wěn)定時段數(shù)據(jù)。同時本項目地埋管計算以夏季負荷為準，取埋管單孔綜合換熱量57.45W/m 作為計算依據(jù)。

（5）確定地埋管管道的長度：埋地管道的確定以換熱器的構(gòu)造設(shè)計為前提。同時還需結(jié)合相應(yīng)深度土壤的溫度和熱傳導(dǎo)特性。步驟如下：①確定地下管道的位置；②確定地下土壤的溫度；③確定熱泵的最大和最小進水溫度；④計算土壤和地下?lián)Q熱器之間的溫差；⑤計算管道對流體的流阻；⑥計算土壤的熱阻；⑦必要的軟件輔助，最后得出埋地換熱器的總長度。本項目主要設(shè)計項目及參數(shù)如表3所示。

表3 地源熱泵水系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容Table 3 Ground source heat pump water system

3.2 地埋管量計算

地埋管循環(huán)水作為主機系統(tǒng)運行的冷、熱源，管道長度按地埋管承擔(dān)的峰值排熱量1260kW 設(shè)計計算。參考第三方測試單位提供的測試報告結(jié)論，計算結(jié)果如表4所示。

表4 地埋管長度計算Table 4 Buried pipe length calculation

在建筑物周圍布置垂直單U 地埋管，管孔共計180 個。外管路設(shè)置4 個區(qū)域檢查井，1 個區(qū)域總井。每個區(qū)域6 個環(huán)路，36/42/48/54 個豎直孔，區(qū)域總管管徑De110；各環(huán)路分別由6/7/8/9 個豎直孔組成，環(huán)路總管管徑De63。系統(tǒng)集分水總管管徑De200。各區(qū)域以及區(qū)域所轄的各環(huán)路之間，水流量分配均通過TA 平衡閥來調(diào)節(jié)。

4 地埋管主要施工技術(shù)

（1）鉆孔、下管、回填

針對建筑所在地地質(zhì)情況，采用國內(nèi)先進的GXY-2（300 型）工程鉆機。鉆孔深度120m，由于孔內(nèi)地下水（或泥漿）水位較淺，主要采用機械鉆桿輔助下管。

垂直土壤熱交換器下管完成后，應(yīng)在12 小時內(nèi)用灌漿材料回灌封孔。灌漿應(yīng)密實，無空腔。漿管和U 型管同時插入孔中，直至孔底，孔內(nèi)灌漿時，應(yīng)使用泥漿泵通過灌漿管將混合漿灌入孔中。

（2）管道連接

HDPE 埋地管道采用熱熔或電熔的方法連接[3]。≤De110 的管道，采用電熔或熱熔承插連接；＞De110 的管道，宜采用熱熔對接連接。PE 管熱熔承插深度如表5所示。

表5 PE 管熱熔承插深度Table 5 PE pipe hot melt socket depth

（3）水平橫管敷設(shè)

水平埋管地溝結(jié)構(gòu)綜合考慮地上、地下障礙物、地表坡度、溝轉(zhuǎn)向半徑限制、回填和復(fù)原要求等因素。施工中進行橫溝開挖，溝底清理，找平，管道敷設(shè)，環(huán)路連接，回填和水壓試驗。

（4）管道試壓與檢漏

管材到達現(xiàn)場下管前、豎直地埋管換熱器入孔回填前、單個豎直地埋管換熱器接入環(huán)路后、環(huán)路集管與機房集分水器連接完成后、地埋管換熱系統(tǒng)安裝完畢，共進行五次試壓、檢漏。

（5）系統(tǒng)沖洗，注水排氣

注水排氣可維持豎直孔穩(wěn)定排熱、取熱，是整個地埋管系統(tǒng)運行良好的保障。在系統(tǒng)運行前，用水沖凈管內(nèi)泥土，管屑等雜質(zhì)。沖洗時采用過濾裝置，用以除去水中或系統(tǒng)外來的微粒或雜質(zhì)。

5 空調(diào)主機系統(tǒng)對接改造

原有單制冷用螺桿機組，通過管道、閥門改造，實現(xiàn)管路切換實現(xiàn)制冷、制熱轉(zhuǎn)換，從而升級為“熱泵機組”。

改造后新系統(tǒng)為土壤源熱泵與輻射系統(tǒng)相結(jié)合的系統(tǒng)形式。最大的系統(tǒng)亮點是，在有供冷需求時，可以不開啟熱泵，直接將源水通過換熱器把冷量傳給負荷側(cè)冷水，通過毛細管進行頂棚輻射制冷。使用這種模式可以在夜間對房間進行自然冷卻，降低一部分負荷，熱泵在白天運行負荷可以大大降低。自然冷卻狀況下，只需要地源側(cè)和負載側(cè)的水泵工作，而熱泵處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣熱泵機組容量配置就可以比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)減少近50%。再加上運行時間的縮減，可以大大降低系統(tǒng)能耗。

6 總結(jié)與展望

本項目通過改造前三年多的運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，夏季常規(guī)制冷系統(tǒng)平均耗電量約316571kWh/年，夏季運行產(chǎn)生費用約為221600 元（折算下來與當?shù)仄骄褂秒妰r0.7 元/kWh 符合一致）；冬季系統(tǒng)通過使用蒸汽和熱水板換機組供熱，其制熱運行費用約180000 元。通過電能替代改造，采用地源熱泵作為冷熱源作系統(tǒng)重新改造后，大樓全年總能耗預(yù)計降低40%左右。由于夏季可以使用“自然冷卻”模式降低一部分冷負荷，可以降低熱泵機組容量的配置，因此，本系統(tǒng)冷熱源機房僅配置了1 臺螺桿熱泵機組即能滿足這個建筑的負荷需要。

該節(jié)能改造項目利用增設(shè)的地源熱泵系統(tǒng)取代原空調(diào)中的鍋爐供熱系統(tǒng)，通過合理的管路設(shè)計、熱平衡設(shè)計、節(jié)能運行和控制不僅降低了系統(tǒng)能耗，而且實現(xiàn)了“以電代氣”，減少了一次能源的消耗和碳排放。在既有建筑中因地制宜的推廣地源熱泵系統(tǒng)，為優(yōu)化建筑能源消耗，解決能源和環(huán)境問題提供了新的思路。地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用在節(jié)能改造方面具有很大的空間與潛力。